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Dokumentenidentifikation DE10158463B4 12.02.2004
Titel Verfahren zur kombinierten Verwertung von Abfallstoffen unterschiedlicher Art, Konsistenz und Zusammensetzung in einem Schacht-Schmelz-Vergaser
Anmelder Feustel, Hans Ulrich, 04277 Leipzig, DE;
Mallon, Joachim, Dipl.-Phys., 04157 Leipzig, DE;
Schaaf, Michael, Dipl.-Krist., 04430 Rückmarsdorf, DE;
Scheidig, Klaus, Dr.-Ing., 07338 Kaulsdorf, DE
Erfinder Feustel, Hans Ulrich, 04277 Leipzig, DE;
Mallon, Joachim, Dipl.-Phys., 04157 Leipzig, DE;
Schaaf, Michael, Dipl.-Krist., 04430 Rückmarsdorf, DE;
Scheidig, Klaus, Dr.-Ing., 07338 Kaulsdorf, DE
DE-Anmeldedatum 28.11.2001
DE-Aktenzeichen 10158463
Offenlegungstag 12.06.2003
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 12.02.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.02.2004
IPC-Hauptklasse C10J 3/08
IPC-Nebenklasse C10J 3/30   C10J 3/26   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kombinierten Verwertung von Abfallstoffen unterschiedlicher Art, Konsistenz und Zusammensetzung, wie beispielsweise Altholz und Shredderleichtfraktionen aus der Altauto-Aufbereitung, in einem Schacht-Schmelz-Vergaser.

Aus dem Stand der Technik sind bereits durch WO 01/62873 A1 ein Schacht-Schmelz-Vergaser und ein Verfahren zur thermischen Behandlung und Verwertung von Abfallstoffen unterschiedlicher Art, Konsistenz und Zusammensetzung, wie schadstoffbelastetes Altholz, Altreifen, Industrie-/Gewerbeabfallstoffe sowie Haus- und Sperrmüll, bekannt. Für den Schacht-Schmelz-Vergaser ist kennzeichnend, dass auf einer Grundplatte ein den Herd bildender Schachtteil mit Abstichvorrichtungen für Schlacke und Eisen aufgesetzt ist und direkt anschließend mehrere verschiedenartig gestaltete zylindrische Schachtteile angeordnet sind, wobei der konische Schachtteil in den schachterweiternden Schachtteil ragt und so einen schüttungsfreien Raum mit hierin liegenden Absaugeinrichtungen bildet, im Schachtteil oberhalb des Herdes und im konischen Schachtteil oberhalb des schüttungsfreien Raumes jeweils mehrere um den Umfang verteilte Injektoren angeordnet sind. Die Abfallstoffe werden verfahrensgemäß über eine Begichtungseinrichtung und den Vergaserschacht zunächst direkt in die Hochtemperaturzone, welche sich in der oberen Injektorebene des Schacht-Schmelz-Vergasers befindet, und danach bis zur Füllstandsanzeige eingebracht. Die Füllstandsanzeige ist unterhalb der Begichtungseinrichtung und oberhalb der installierten Injektor- und/oder Luft- und/oder Sauerstoff-Zuführeinrichtungen des Schacht-Schmelz-Vergasers am Schacht angeordnet. In der Hochtemperaturzone reagieren die in den Abfallstoffen enthaltenen organischen Bestandteile mit dem eingedüsten Sauerstoff. Die Reaktionsprodukte werden im Gleichstromprinzip in Richtung Herd gesaugt und durchströmen die aus den Abfallstoffen bestehende Schüttsäule des Schacht-Schmelz-Vergasers. Dies bedeutet, dass sie in der gleichen Richtung wie die im Schacht des Schmelzvergasers absinkenden restlichen Abfallstoffe strömen. Die nicht vollständig verbrannten organischen Bestandteile der Abfallstoffe unterliegen einer pyrolytischen Zersetzung. Der sich bildende Pyrolysekoks wird in der unteren Injektorebene mit Sauerstoff verbrannt. Das Rohgas wird dann aus dem zwischen den beiden Injektorebenen liegenden Bereich abgesaugt und in eine Gaswirtschaft zur Weiterbehandlung geleitet. Nachteilig ist, dass beim Einsatz von feinkörnigen oder pastenartigen oder teigigen Abfallstoffen sich das Lückenvolumen in der Schüttsäule des Schacht-Schmelz-Vergasers allgemein verringert und damit der Strömungswiderstand für die Gasströmung sich erhöht. Im Extremfall kann der Einsatz solcher Abfallstoffe bis zur Funktionsunfähigkeit des Schacht-Schmelz-Vergasers führen. Nachteilig ist auch, wenn solche Abfallstoffe unterhalb der oberen Injektorebene eingebracht werden. Dadurch können organische Schadstoffe unzersetzt aus dem Bereich zwischen den beiden Injektorebenen abgesaugt werden. Durch das Einbringen der Abfallstoffe unterhalb der unteren Injektorebene würde der Abfluss von Schlacke und Metall behindert werden, da die endotherme Zersetzung der hier eingebrachten Abfallstoffe das Temperaturniveau im Herd herabsetzt.

In DE 32 33 774 A1 ist ein mit WO 01/62873 A1 vergleichbares Verfahren zur Vergasung von kohlehaltigem Material zu einer hauptsächlich aus CO und H2 bestehenden Gasmischung mit einem Gesamtanteil von CO2 und H2 von weniger als 12% dargestellt. Das kohlehaltige Material wird hier in stückiger Form durch eine gasdichte Schleuse in einen Reaktor, vorzugsweise einen Schachtofen, von oben her bis zu einer vorgegebenen Füllhöhe eingebracht, das erzeugte Gas wird dann vom Schachtofen in einer Höhe unter der Oberfläche des kohlehaltigen Materials abgezogen und Oxidationsmittel oder Wärmemittel werden zugeführt. Um die erwünschte Vergasung durchführen zu können, wird das kohlehaltige Material in stückiger Form eventuell zusammen mit einem Schwefelbinder, wie beispielsweise Dolomit, durch die Schleuse in den Schacht eingebracht. Die Vergasung erfolgt bei hoher Temperatur und unter oxidierenden Bedingungen, und gleichzeitig passiert das anfänglich hergestellte Gas ein heißes Koksbett oder ein Bett aus koksartigem Material, woraufhin sein H2O-Gehalt mit Kohlenstoff reagiert und H2 und CO bildet. Das Verfahren soll eine Steuerung des CO/H2 – Verhältnisses ermöglichen, da die Wärmeenergie über Plasmabrenner zugeführt wird und somit das Verhältnis zwischen H2O, CO2 und O2 im oxidierenden Gas innerhalb weiter Grenzen variiert werden kann. Zur gleichmäßigen Verteilung von Brennstoff auf dem Bett eines Vergasers mit abwärts gerichtetem Zug ist durch DE 815 519 A eine Beschickungsvorrichtung bekannt, die oberhalb der Brennstoffüllung neben dem Schacht außerhalb des Wärmestrahlungsbereiches des Brennstoffes angeordnet ist. Die Beschickungsvorrichtung ist als Wurfvorrichtung ausgebildet und soll so eine seitliche Zuführung des Brennstoffes ermöglichen.

Weiterhin ist durch DE 44 07 230 C2 ein Verfahren zur stofflichen Verwertung von festen Reststoffen in einem koksbeheizten Schachtofen bekannt, bei dem die festen Reststoffe verdichtet und zu einem Strang geformt werden und dieser Strang mittels einer Rohrleitung der Hochtemperaturzone des Schachtofens durch eine seiner Düsen, oder in deren Bereich durch die Wand des Schachtofens mittels spezieller Zuführungseinrichtungen, wie z. B. Schneckenförderer oder Kolbenpressen, zugeführt werden. Mit dieser Verfahrensweise wird eine hinreichend lange Verweilzeit der festen Reststoffe in der Hochtemperaturzone gewährleistet, so dass sie ähnlich wie bei der Injektion von Zusatzreduktionsmitteln in den Hochofen vergast, verdampft, verbrannt bzw. geschmolzen werden. Dieses Verfahren ist zur Verwertung von Abfallstoffen unterschiedlicher Beschaffenheit in einem Schacht-Schmelz-Vergaser nicht anwendbar, weil durch die endotherme Zersetzung der direkt in die Hochtemperaturzone eingebrachten Abfallstoffe mit ihren hohen Gehalten an flüchtigen Bestandteilen große Temperaturverluste unmittelbar vor den Sauerstoff-Injektoren entstehen, wodurch die Funktionsfähigkeit des Schacht-Schmelz-Vergasers beeinträchtigt wird. Weiter ist nachteilig, dass diese Wirkung nicht wie im Hochofenbetrieb beispielsweise durch eine höhere Heißwindtemperatur kompensiert werden kann, da sich eine entsprechende Temperaturerhöhung des technisch reinen Sauerstoffs durch negative wirtschaftliche Effekte, verbunden mit höheren sicherheitstechnischen Anforderungen, verbietet.

Diese Nachteile sind auch bei dem in DE 43 28 164 C2 dargestellten Verfahren zur thermisch-metallurgischen Entsorgung von Reststoffen bei der Herstellung von Roheisen in einem koksbeheizten Schachtofen festzustellen. Bei diesem Verfahren werden die Reststoffe im Bereich der Windformen und/oder darunter eingeleitet.

Hinsichtlich der Einführung von zusätzlichem Material direkt in eine Hochtemperaturschicht ist ebenfalls durch DE 937 785 A eine Vorrichtung zum Einbringen von staubförmigen bis kleinstückigen Brennstoffen und einem Vergasungsmittel in das ruhende Brennstoffbett eines Abstichgaserzeugers bekannt. Die Einbringevorrichtung besteht aus einem zur Kühlung mehrfach ummantelten Rohr mit innenlaufender Schnecke oder Kolben. Am Austritt aus dieser Vorrichtung wird der Brennstoff durch Sauerstoff oder ein Sauerstoff-Stickstoff-Gemisch gezündet und verbrannt. Die Vergasungsmittel werden so in das Brennstoffbett eingeleitet, dass der austretende Brennstoff mit dem Vergasungsmittel unmittelbar an der Mündung der Kanäle innigst vermischt wird und dabei Temperaturen erreicht werden, die die nicht brennbaren Bestandteile, wie Asche, verflüssigen sollen. Diese Verfahrensweise ist energetisch nicht praktikabel.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein Verfahren zur kombinierten Verwertung von Abfallstoffen unterschiedlicher Art, Konsistenz und Zusammensetzung, wie beispielsweise Altholz und Shredderleichtfraktionen aus der Altauto-Aufbereitung, in einem Schacht-Schmelz-Vergaser zu realisieren, das das Lückenvolumen in der Schüttsäule nur unwesentlich verringert, Temperaturverluste in der Hochtemperaturzone vermeidet und damit die Funktionsfähigkeit des Schacht-Schmelz-Vergasers garantiert.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass

  • – dem Schacht-Schmelz-Vergaser erste Abfallstoffe über eine Begichtungseinrichtung zur Ausbildung einer Schüttsäule zugeführt werden,
  • – bei dem durch im Bereich der Hochtemperaturzone angeordnete erste Injektoren Sauerstoff in die Schüttsäule eingedüst wird,
  • – die so entstehenden Reaktionsprodukte als ein Teil des Rohgases mit den absinkenden, nicht vollständig verbrannten organischen Bestandteilen durch Absaugeinrichtungen in Richtung Herd geführt werden,
  • – der sich bildende Pyrolysekoks mit dem eingedüsten Sauerstoff durch oberhalb des Herdes angeordnete zweite Injektoren verbrannt wird,
  • – das gesamte Rohgas aus dem zwischen den beiden Injektorebenen liegenden Bereich durch die Absaugeinrichtungen abgesaugt und in eine Gaswirtschaft zur Weiterbehandlung geleitet wird,
  • – wobei zweite Abfallstoffe oberhalb der im Bereich der Hochtemperaturzone angeordneten Injektoren und unterhalb einer unteren Füllstandsmesseinrichtung durch eine oder mehrere um den Schachtumfang verteilte, durch die Wand des Schacht-Schmelz-Vergasers ragende Zuführungseinrichtungen der Schüttsäule des Schacht-Schmelz-Vergasers derart zugeführt werden, dass die Gasströmung im oberen Teil der Schüttsäule nicht beeinträchtigt wird.

Damit ist der Vorteil erzielbar, dass die Gasströmung im oberen Teil der Schüttsäule durch die zweiten Abfallstoffe nicht beeinträchtigt wird, diese Stoffe jedoch beim Absinken mit den übrigen Beschickungsmaterialien dennoch stets durch die Hochtemperaturzone geleitet werden. Dadurch unterliegen sie den gleichen thermischen und reaktiven Bedingungen wie die über die Begichtungseinrichtung zugeführten ersten Abfallstoffe. Die Funktionsfähigkeit des Schacht-Schmelz-Vergasers ist gewährleistet.

Als Zuführungseinrichtungen für die zweiten Abfallstoffe werden Düsen, Schneckenförderer, Strangpressen oder Extruderpressen verwendet. Eine bevorzugte Weiterbildung des Verfahrens besteht darin, dass die Zuführungseinrichtungen mit einem Heizmedium, beispielsweise mit Heißwind oder heißen Verbrennungsabgasen oder vorgeheizten flüssigen Medien, beaufschlagt werden. Dies hat den Vorteil, dass die Abfallstoffe bereits in der Zuführungseinrichtung vorgewärmt werden und somit in Abhängigkeit von der eingestellten Temperatur einer Vortrocknung und ggf . einer beginnenden Pyrolyse unterliegen, der Energieaufwand im Schacht-Schmelz-Vergaser zum Erreichen der Starttemperatur der pyrolytischen Zersetzung der Abfallstoffe gesenkt wird und damit der verfahrenstechnische Prozessablauf im Schacht-Schmelz-Vergaser energetisch unterstützt und verbessert.wird. Die organischen Bestandteile der zweiten Abfallstoffe reagieren in der Hochtemperaturzone in der oberen Injektorebene des Schacht-Schmelz-Vergasers mit dem eingedüsten Sauerstoff. Die Reaktionsprodukte werden im Gleichstromprinzip in Richtung Herd gesaugt, d.h. sie strömen in die gleiche Richtung wie die im Schacht des Schmelz-Vergasers absinkenden ersten Abfallstoffe. Die nicht vollständig verbrannten organischen Bestandteile unterliegen einer pyrolytischen Zersetzung. Der sich bildende Pyrolysekoks wird in der unteren Injektorebene mit Sauerstoff verbrannt. Das Rohgas wird aus dem Bereich zwischen den beiden Injektorebenen abgesaugt. Durch die reduzierende Atmosphäre und die hohen Temperaturen werden die organischen Schadstoffe zerstört.

Eine andere Weiterbildung des Verfahrens besteht darin, dass die Zuführungseinrichtungen Brenner sind. Die Abfallstoffe werden dabei im kalten oder vorgewärmten Zustand mit Luft oder vorgewärmter Luft oder mit Sauerstoff vollständig oder unvollständig verbrannt. Die heißen Verbrennungsabgase werden im Gleichstromprinzip in Richtung Herd gesaugt und unterstützen die Vorwärmung und pyrolytische Zersetzung der übrigen Einsatzmaterialien.

Das Verfahren soll am Beispiel der Verwertung von einer Gesamtmenge von 1 t/h Durchsatz Altholz mit Metallteilen, Bahnschwellen und Spanplatten sowie dem Zusatz von 100 kg Shredderleichtfraktion/h in einem Schacht-Schmelz-Vergaser näher erläutert werden.

Am Schacht-Schmelz-Vergaser wird dazu oberhalb der im Bereich der Hochtemperaturzone angeordneten Injektoren, konkret 500 mm unterhalb der unteren Füllstandsmessung, eine Extruderschnecke zum Fördern der Shredderleichtfraktion installiert. Der Vorratsbehälter und dessen Förderrohr werden zusätzlich mit einem etwa 200°C aufweisenden Heißwind beaufschlagt. Die Extruderschnecke hat ofenseitig eine feuerfeste Zuführungsöffnung, die in das Schachtinnere des Schacht-Schmelz-Vergasers ragt. Der Schacht-Schmelz-Vergaser wird mit 0,04 t/h Koks und 0,04 t/h Kalk sowie mit 1 t/h Altholz mit Metallanteilen, Bahnschwellen und Spanplatten beschickt. Zusätzlich werden über die Extruderschnecke 0,1 t/h Shredderleichtfraktion zugeführt. Die als Folge der Verdichtung im Extruder erhitzte Shredderleichtfraktion wird pastenartig und teigig in die Hohlräume zwischen den Beschickungsmaterialien gepresst, welche sich unmittelbar im Mündungsbereich der Extruderschnecke im Schacht des Schmelz-Vergasers befinden. Die dadurch verursachte lokale Verdichtung der Beschickungssäule beeinflusst ihre Gasdurchlässigkeit nur unwesentlich und stellt die Funktionsfähigkeit des Schacht-Schmelz-Vergasers somit nicht in Frage. Dies bedeutet, dass auch von Natur aus pastenartige oder teigige Abfallstoffe, wie beispielsweise Ölschlämme mit hohen Staubanteilen erfindungsgemäß verwertbar sind. Durch die Injektoren werden 273 m3/h Sauerstoff eingeblasen. In der Hochtemperaturzone reagieren die in den Abfallstoffen, also auch die in der Shredderleichtfraktion, enthaltenen organischen Bestandteile mit dem eingedüsten Sauerstoff. Die mineralischen und metallischen Bestandteile der Abfallstoffe schmelzen und fließen oder tropfen nach unten in den Herd ab. Gleichzeitig werden die durch thermochemische Umsatzreaktionen entstehenden heißen gasförmigen Reaktionsprodukte mit den absinkenden, nicht oder nicht vollständig verbrannten organischen Bestandteilen der Abfallstoffe durch die Absaugeinrichtungen im Gleichstrom in Richtung Herd geführt und unterliegen einer pyrolytischen Zersetzung. Der sich in der Reduzier-/Crackzone bildende Pyrolysekoks wird durch den von den unteren Injektoren eingebrachten Sauerstoff verbrannt, wobei sich Schlacke und Metall überhitzen und im Herd sammeln. Das Rohgas setzt sich aus den in der Hochtemperaturzone und der Reduzier/Crackzone gebildeten gasförmigen Reaktionsprodukten zusammen. Es wird zwischen der Hochtemperaturzone und der Reduzier-/Crackzone abgesaugt. Die Absaugeinrichtungen, beispielsweise Quenche oder Sprühabsorber, fördern ca.1600 Nm3/h Rohgas, das 334 l/h Wasser enthält, welches auskondensiert wird. Ca. 0,1 t/h metallische und ca. 0,08 t/h mineralische Komponenten der Abfallstoffe werden durch die Abstichvorrichtungen aus dem Schacht-Schmelz-Vergaser abgezogen. Das entstandene Rohgas wird mit Temperaturen von mindestens 800 °C abgesaugt und in eine Gaswirtschaft zur Weiterverarbeitung geleitet. Das Synthesegas hat einen unteren Heizwert zwischen 2,0 und 2,5 kWh/Nm3 und wird in einem nachgeschalteten Gasverbraucher verarbeitet. Das in einer Gasreinigung für die Verwertung im Blockheizkraftwerk aufbereitete Brenngas kann dann zur energetischen Nutzung einem Gasmotor zugeführt werden.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur kombinierten Verwertung von Abfallstoffen unterschiedlicher Art, Konsistenz und Zusammensetzung, wie beispielsweise Altholz und Shredderleichtfraktionen aus der Altauto-Aufbereitung, in einem Schacht-Schmelz-Vergaser, bei dem

    – erste Abfallstoffe über eine Begichtungseinrichtung zur Ausbildung einer Schüttsäule zugeführt werden,

    – durch im Bereich der Hochtemperaturzone angeordnete erste Injektoren Sauerstoff in die Schüttsäule eingedüst wird,

    – die so entstehenden Reaktionsprodukte als ein Teil des Rohgases mit den absinkenden, nicht vollständig verbrannten organischen Bestandteilen durch Absaugeinrichtungen in Richtung Herd geführt werden,

    – der sich bildende Pyrolysekoks mit dem eingedüsten Sauerstoff durch oberhalb des Herdes angeordnete zweite Injektoren verbrannt wird,

    – das gesamte Rohgas aus dem zwischen den beiden Injektorebenen liegenden Bereich durch die Absaugeinrichtungen abgesaugt und in eine Gaswirtschaft zur Weiterbehandlung geleitet wird, wobei

    – zweite Abfallstoffe oberhalb der im Bereich der Hochtemperaturzone angeordneten Injektoren und unterhalb einer unteren Füllstandsmesseinrichtung durch eine oder mehrere um den Schachtumfang verteilte, durch die Wand des Schacht-Schmelz-Vergasers ragende Zuführungseinrichtungen der Schüttsäule des Schacht-Schmelz-Vergasers derart zugeführt werden, dass die Gasströmung im oberen Teil der Schüttsäule nicht beeinträchtigt wird.
  2. Verfahren zur Verwertung von Abfallstoffen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Zuführeinrichtungen für die zweiten Abfallstoffe Düsen, Schneckenförderer, Strangpressen oder Extruderpressen verwendet werden.
  3. Verfahren zur Verwertung von Abfallstoffen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführungseinrichtungen mit einem Heizmedium, beispielsweise mit Heißwind oder heißen Verbrennungsabgasen oder vorgeheizten flüssigen Medien, beaufschlagt werden.
  4. Verfahren zur Verwertung von Abfallstoffen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführungseinrichtungen Brenner sind, in denen die Abfallstoffe im kalten oder vorgewärmten Zustand mit Luft oder vorgewärmter Luft oder mit Sauerstoff vollständig oder unvollständig verbrannt werden.
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