DE4429629A1 - Vorrichtungen zur Trockendampf-Müllpyrolyse, zur Restentgasung der Pyrolyseprodukte und Verfahren zur Durchführung dieser Prozesse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Trockendampf-Müllpyrolyse, zur Restentgasung der Pyrolyseprodukte und Verfahren zur Durchführung dieser Prozesse, zur Anwendung insbesondere bei Siedlungs-, Gewerbe- und Industrieabfällen, sowie bei Klärschlamm, Bio- und Agrarabfällen, bedingt auch bei kontaminiertem Erdreich.

Bei Pyrolyseprozessen zur Volumenreduzierung werden die Abfallstoffe in sauerstoffarmer Atmosphäre auf beispielsweise 500°C erhitzt. Mit der Erfindung sollen die Abfallstoffe mittels inertem Hitzemedium temperaturgeregelt pyrolysiert und die Pyrolyseprodukte, Müllkohle, Inertstoffe und Metalle, restentgast werden, zwecks Ausscheidens der kritischen Substanzen, wie Hg, Cd, Zn, As, S, P, HCl etc., vor der nachfolgenden Hochtemperatur­ phase, der Verbrennung der Müllkohle oder deren Vergasung mit O₂.

Es sind Verfahren und Vorrichtungen zum Pyrolysieren von Abfallstoffen bekannt, bei de­ nen heiße Verbrennungsgase einer externen Feuerung durch Heizrohre geleitet werden, die durch eine, mit transitierenden Abfallstoffen befüllte, rotierende Trommel hindurchfüh­ ren und deren innere Atmosphäre aus sich bildendem Pyrolysegas als Hitzemedium auf­ heizen.

Nachteilig ist dabei die kleine Wärmekapazität und -leitfähigkeit dieses Hitzemediums, sei­ ne geringe Wärmeübergangeffizienz und strömungslose Kontaktierung. Der Wärmeinhalt der Verbrennungsgase kann nicht voll absorbiert werden, so daß eine übermäßige Ab­ wärmemenge mit dem Abgas emittiert. Ebenso wird der Wärmeinhalt des entstehenden und abgeführten Pyrolysegases wenig genutzt. Kritische Substanzen, die hitzeverflüchtigt nicht mit dem Pyrolysegas, das gereinigt oder direkt verfeuert wird, entwichen sind, ver­ bleiben gasförmig in der Masse der heißen Pyrolyseprodukte, vornehmlich in den feinen Strukturen der porösen Müllkohle, rekondensieren dort bei Temperaturabsenkung, oder bleiben unter ihrem Siedepunkt unverflüchtigt. In jedem Falle gelangen diese kritischen Substanzen mit in die nachfolgende Hochtemperaturphase, der Verbrennung der, von Inertstoffen und Metallen abgetrennten, Müllkohle, oder deren Vergasung mit O₂.

Daraus resultieren schwermetallbelastete Verbrennungsprodukte (Emissionen, Schlacke und Stäube), oder Synthesegase, diese ebenfalls belastende Reaktionsprodukte, wie SO₂, erzeugt durch hitzebedingte Wärmetönung, sowie Dioxine und Furane, die sich insbeson­ dere aus Chlorverbindungen durch katalytischen Effekt hitzeverflüchtigter Schwermetalle bilden.

Mit aufwendigen, technischen Einrichtungen und Maßnahmen und mit zusätzlichem Che­ mieeinsatz kann diese Schadstofffracht in den übermäßig voluminösen Emissionen, wieder sondermüllerzeugend, lediglich auf suspekte Grenzwerte reduziert werden. Zumindest die Grenzwertmenge emittiert retourierend in die Atmosphäre, Tag für Tag addiert im Kilo­ grammbereich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese zuvor genannten Nachteile zu beseitigen, durch frühzeitige Ausscheidung der kritischen Substanzen und deren potentiellem Recy­ cling, mittels effektivem, inertem Hitzemedium in einem gekapselten Funktionsablauf und bei optimaler Wärmenutzung, Umweltbelastungen weitestgehend zu unterbinden, auf wirt­ schaftlicher Basis.

Zur erfindungsgemäßen Lösung der Aufgabe ist zunächst eine Fördereinrichtung angeord­ net, wobei das Fördergehäuse teilweise eine beabstandete Ummantelung aufweist, die einen Zwischenraum offen läßt. Im Fördergehäuse ist eine Förderschnecke integriert, zum Transport des Fördergutes in eine trichterförmige Erhitzungskammer, die vor dem Förder­ gehäuse angeordnet ist und in der Abfallstoffe zunächst gemischt, zerkleinert und vorer­ hitzt werden. Axial durch die Förderschnecke ist ein Durchgang geschaffen, der konisch ausgebildet ist. In dem Durchgang ist eine Rotorwelle angeordnet, die extern separat im­ pulsiert wird. In der trichterförmigen Erhitzungskammer ist ein Schneidflügelrotor an der Rotorwelle angebracht, dessen Flügel drehrichtungsseitig zu Schneiden ausgebildet sind, teilweise diagonal zugespitzt zwecks Fördereffekt. Die trichterförmige Erhitzungskammer mündet in eine drehbewegliche, zylinderförmige Erhitzungskammer mit Neigung in För­ derrichtung, in der die Abfallstoffe transitierend pyrolysiert werden. Die zylinderförmige Erhitzungskammer endet in einem Sammelschacht, der die Pyrolyseprodukte zunächst aufnimmt. Oben in der zylinderförmigen Erhitzungskammer ist eine Dampfleitung ange­ bracht, die längs durch sie hindurchreicht und in der das Hitzemedium zugeführt wird. In der Unterseite der Dampfleitungsröhre sind Rohrstutzen als Düsen angebracht, die im Querschnitt stromlinienförmig profiliert sind und die zum beaufschlagenden Injizieren des Hitzemediums in der Masse der transitierenden Abfallstoffe dienen. Über die Dampflei­ tungsröhre ist eine Platte horizontal installiert, die einen Freiraum nach oben zur oberen Innenfläche der zylinderförmigen Erhitzungskammer und beidseitig einen Schlitz offen läßt, zum Aufnehmen und Abführen des entstehenden Dampf-Pyrolysegasgemisches. An der trichterförmigen Erhitzungskammer mündet der Freiraum durch ein Rohr in den Zwischen­ raum der Ummantelung des Fördergehäuses. Ebenso entweicht solches Dampf- Pyrolysegasgemisch in den konischen Förderschneckendurchgang. Unter Abgabe von Kondenswärme zur indirekten Beheizung des Fördergutes, kondensiert in beiden Berei­ chen Dampf aus diesem Gemisch und damit ebenso kritische Substanzen zu einem Kon­ densat einer Suspension/Säure. Dieses fließt im Ableitungsrohr nach unten ab zur Weiter­ behandlung, beziehungsweise zum Recycling der darin alle verwertbar vorliegenden, kriti­ schen Substanzen. Das dadurch schadstoffarme Pyrolysegas entweicht im Ableitungsrohr nach oben und kann verfeuert werden, beispielsweise in der Gegenstrombeheizung zur Dampfüberhitzung. Das Kondensieren des Dampfes erzeugt Unterdruck mit Sogeffekt. Am unteren Ende des Sammelschachtes für die Pyrolyseprodukte ist, als hermetische Ab­ sperrschleusse, ein Kugel- oder Walzenhahnventil angebracht, durch das die heißen Pyro­ lyseprodukte chargenweise zur Restentgasung in den unterhalb angeordneten Innenzylin­ der der Vakuum-Zylinderkolbenpresse gelangen. Dazu ist in einem Zylinder mit hermetisch abdichtender Türe und befestigtem Deckel ein Innenzylinder mit Ringspalt beabstandet installiert. Im Innenzylinder ist ein Kolben mit Kolbenstange beweglich angeordnet, mit nach außen führender Kolbenstange. Im Deckel des Zylinders ist eine abdichtende Öff­ nung angebracht, durch welche die Kolbenstange nach außen führt. Der Zylinder ist mit einer Einfüllöffnung versehen, auf der das Absperrventil angebracht ist. Unterhalb dersel­ ben ist an der Wandung des Innenzylinders ein Ausschnitt angebracht, zum Einfüllen der Pyrolyseprodukte. Durch die Türe ist eine Einlaßöffnung mit Ventil und außen ein Zuführ­ anschluß installiert. Innen vor der Einlaßöffnung, beabstandet von der Türinnenseite, ist vertikal eine Stützscheibe auf einem Ringsockel befestigt, die die Pyrolyseprodukte ge­ genüber dem Kolben abstützt. Oben auf dem Zylinder ist ein Ablaßventil und an der Zylin­ derunterseite ein Abflußventil installiert, die beide in Abführleitungen münden.

In einer weiteren Ausbildung der Erfindung können Kolben und Stützscheibe als Elektro­ den ausgebildet, elektrisch isolierend installiert und mit Elektroanschlüssen versehen sein und der Innenzylinder und der Ringsockel aus dielektrischem Material, etwa Keramik, be­ stehen. Wenn erforderlich, kann so mittels Stromstoß durch die, elektrisch leitend vorlie­ gende, Müllkohle die Temperatur der Pyrolyseprodukte erhöht werden, um die inhaltlichen, noch nicht gasförmig vorliegenden, kritischen Substanzen an ihren jeweiligen Siedepunk­ ten zu verdampfen, zum Absaugen mittels des Vakuumeffekts.

Zum Durchspülen der Pyrolyseprodukte und zur Entgasung sind der Kolben und die Stützscheibe mit Perforationen/Durchlässen versehen.

Die Pyrolyse der Abfallstoffe wird erfindungsgemäß mittels stark überhitztem Dampf als Hitzemedium vorgenommen. Die Abfallstoffe werden mit überhitztem Dampf dabei in den Erhitzungskammern direkt beaufschlagt, in der trichterförmigen Erhitzungskammer ange­ strahlt während des Mischens und Zerkleinerns und in der zylinderförmigen Erhitzungs­ kammer durch injizierte Beaufschlagung, durch die Rohrstutzen/Düsen in die transitierende Masse. Die Abfallstoffe werden dabei mischbewegt und zerkleinert.

Zur Restentgasung werden die Pyrolyseprodukte chargenweise in den Innenzylinder der Vakuum-Zylinderkolbenpresse eingefüllt und mechanisch mittels Kolben zusammengescho­ ben, locker aufgehäuft zwischen Kolben und Stützscheibe. Dann werden die Pyrolysepro­ dukte, die pyrolysierte Masse der Abfallstoffe, im Innenzylinder zunächst mit überhitztem Dampf kurz durchspült zur Temperaturerhöhung zwecks Erreichens des Siedepunktes, zur Hitzeverflüchtigung der kritischen Substanzen. Gegebenenfalls und erfindungsgemäß mit Elektroden, kann die Temperaturerhöhung der Pyrolyseprodukte mittels Stromstoß durch die Müllkohle unterstützt werden. Hitze druckimprägnierend in die Masse der Pyrolysepro­ dukte, werden Zylinder sodann mit überhitztem Dampf verfüllt bis beispielsweise 2 bar. Nach Schließen jetzt aller Ventile wird die Außenfläche des äußeren Zylinders mit kaltem Wasser besprühend gekühlt und somit durch Kondensieren des instehenden, überhitzten Dampfes an der Innenfläche des äußeren Zylinders, durch Unterdruck schlagartig in den Zylindern ein Vakuumzustand erzeugt. Dadurch werden die jetzt alle hitzeverflüchtigt vor­ liegenden, kritischen Substanzen mittels Vakuumeffekt gasförmig aus den Pyrolyseproduk­ ten gesaugt, auch aus den feinsten Strukturen der porösen Müllkohle. Sie kondensieren mit dem Dampf zu einer Suspension/Säure und fließen an der Kondensfläche nach unten ab, ohne die Pyrolyseprodukte im Innenzylinder zu berühren.

Mit der Druckdifferenz innen zu außen werden die Pyrolyseprodukte dabei autogen ver­ dichtet, durch den Atmosphärendruck auf den Querschnitt der nach außen geführten Kol­ benstange. Zum Druckdifferenzausgleich, zwecks Öffnung der Türe, wird überhitzter Dampf eingeführt. Die Müllkohle kann mittels Dampfstrahl abgetrennt werden.

Besondere Vorteile der Erfindung sind folgend beschrieben.

Stark überhitzter Dampf besitzt Gasecharakter und ist mit seiner großen Wärmekapazität und seiner hohen Wärmeübergangseffiziens ein ideales Hitzemedium für Pyrolysezwecke und er ist inert. Aus wirtschaftlichem Aspekt kann Abdampf aus einer üblicherweise nach­ geschalteten Dampfkraftanlage entnommen werden und wird, zwecks optimaler Wärme­ nutzung, in Gegenstrombeheizung überhitzt, wozu Pyrolysegas als schadstoffarmer Brennstoff dienen kann. Die frühzeitige Ausscheidung der kritischen Substanzen aus den Pyrolyseprodukten in der erfindungsgemäßen Vakuum-Zylinderkolbenpresse führt zu einer potentiellen Vermeidung von Schadstoffbelastungen während und nach der Hochtempera­ turphase. Aus dem bei überhitztem Dampf in nur geringer Menge anfallenden Kondensat einer Suspension/Säure, können mit oder nach dem Eindampfen die ja alle verwertbar vorliegenden kritischen Substanzen, wie Schwermetalle, Schwefel, HCl etc. mit gebräuch­ lichen Mitteln recycelt werden. Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen gewährleisten einen sicheren und forcierten Pyrolyseprozeß in gekapseltem Funktionsablauf mit optimaler Wärmenutzung. In möglicherweise nachzuschaltender (nicht geschützter) Einrichtung kann die leichtere Müllkohle mittels Strahl des Hitzemediums abgetrennt und gefördert dem Hochtemperaturprozeß zugeführt werden. Bis da hinein bestand kein Kontakt der Müllkohle mit O₂ oder N₂. Das Resultat sind weitestgehend schadstofflose Emissionen, Stäube und Schlacken und es entsteht kein Immission verursachender Wasserpfad.

Separat kann die Vakuum-Zylinderkolbenpresse bei allen herkömmlichen Pyrolyseanlagen als Zwischenstufe eingeordnet werden. Der Entgasungsprozeß ist minutenschnell und die Menge einer Charge funktionell nicht begrenzt.

Aus inhomogenen Abfallstoffen kann mit der Erfindung eine von Schadstoffen und solche erzeugende Substanzen gesäuberte Müllkohle als nicht fossiler Energieträger auf wirtschaftlicher Basis produziert werden.

Die Erfindung ist als ein Ausführungsbeispiel in einem Konstruktionsschema unmaßstäb­ lich im Längsschnitt in der Zeichnung dargestellt und wird in folgendem näher beschrieben.

Das Fördergehäuse ist mit einer Ummantelung (1) umgeben. Vor dem Fördergehäuse ist eine trichterförmige Erhitzungskammer (2) angeordnet. Axial durch die Förderschnecke ist ein Durchgang (3) geschaffen, in dem eine Rotorwelle (4) integriert ist. An dieser ist ein Schneidflügelrotor (5) befestigt, mit Schneiden (6) in Drehrichtung. Vor der trichterförmigen Erhitzungskammer (2) ist eine zylinderförmige Erhitzungskammer (7) angeordnet. In dieser ist eine Dampfleitungsröhre (9) installiert, an der unterseitig Rohrstutzen (10) als Düsen eingesetzt sind. Über dieser ist eine Platte (11) installiert. Die zylinderförmige Erhitzungs­ kammer (7) endet in einem Sammelschacht (8), an dem unten ein Kugel- oder Walzen­ hahnventil (12) befestigt ist. Dieses ist mit der unterhalb angeordneten Vakuum- Zylinderkolbenpresse verbunden.

Diese besteht aus einem Zylinder (13) mit Türe (14) und Deckel (15), einem mit Ringspalt (17) installiertem Innenzylinder (16), in dem ein Kolben (18) integriert ist, mit einer, durch Öffnung (20) nach außen führenden Kolbenstange (19). Der Zylinder (13) ist mit einer Einfüllöffnung (21) versehen und der Innenzylinder (16) mit einem Ausschnitt (22). In der Türe (14) ist eine Einlaßöffnung (23) mit Zuführanschluß (24) und an der Innenseite eine Stützscheibe (25) auf einem Ringsockel (26) angebracht. Kolben (18) und Stützscheibe (25) sind mit Perforationen/Durchlässen (29) versehen. Der Zylinder (13) ist oberseitig mit einem Ablaßventil (27) und unterseitig mit einem Abflußventil (28) versehen.

Claims (6)

1. Vorrichtungen zur Trockendampf-Müllpyrolyse und zur Restentgasung der Pyrolysepro­ dukte, insbesondere zur Anwendung bei Siedlungs-, Gewerbe- und Industrieabfällen, so­ wie bei Klärschlamm, Bio- und Agrarabfällen, bedingt auch bei kontaminiertem Erdreich, dadurch gekennzeichnet, daß das Fördergehäuse eine beabstandete Ummantelung (1) aufweist, daß vor dem Fördergehäuse eine trichterförmige Erhitzungskammer (2) ange­ ordnet ist, daß axial durch die Förderschnecke ein Durchgang (3) geschaffen ist, daß die­ ser konisch ausgebildet ist und daß in ihm eine Rotorwelle (4) angeordnet ist, daß in der trichterförmigen Erhitzungskammer (2) ein Schneidflügelrotor (5) an der Rotorwelle (4) angebracht ist, dessen Flügel an der Drehrichtungsseite zu Schneiden (6) ausgebildet sind, daß die trichterförmige Erhitzungskammer (2) in eine drehbewegliche, zylinderförmi­ ge Erhitzungskammer (7) einmündet, die in einem Sammelschacht (8) endet, daß oben in der zylinderförmigen Erhitzungskammer (7) eine Dampfleitungsröhre angebracht ist, die längs durch sie hindurch reicht, daß in der Unterseite der Dampfleitungsröhre (9) Rohr­ stutzen (10) als Düsen angebracht sind, daß über der Dampfleitungsröhre (9) eine Platte (11) installiert ist, daß am unteren Ende des Sammelschachtes (8) eine Absperrschleuse, ein Kugel- oder Walzenhahnventil (12) angebracht ist, daß, als Vakuum- Zylinderkolbenpresse, in einem Zylinder (13) mit Türe (14) und befestigtem Deckel (15) ein Innenzylinder (16) mit Ringspalt (17) beabstandet installiert ist, daß im Innenzylinder (16) ein Kolben (18) beweglich angeordnet ist, mit nach außen führender Kolbenstange (19), daß im Deckel (15) des Zylinders (13) eine abdichtende Öffnung (20) angebracht ist, durch welche die Kolbenstange (19) nach außen führt, daß der Zylinder (13) mit einer Einfüllöff­ nung (21) versehen ist und daß unterhalb derselben in der Wandung des Innenzylinders (16) ein Ausschnitt (22) angebracht ist, daß durch die Türe (14) des Zylinders (13) eine Einlaßöffnung (23) mit Ventil und außen ein Zuführanschluß (24) installiert ist, daß innen vor der Einlaßöffnung (23) eine Stützscheibe (25) auf einem Ringsockel (26) befestigt ist, daß oben am Zylinder (13) ein Ablaßventil (27) und an der Zylinderunterseite ein Abfluß­ ventil (28) installiert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (18) und die Stützscheibe (25) mit Perforatio­ nen/Durchlässen (29) versehen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (18) und die Stützscheibe (25) als Elektroden (nicht gekennzeichnet) ausgebildet sind und daß der Innenzylinder (16) und der Ringsok­ kel (26) aus dielektrischem Material bestehen, etwa Keramik.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorschneidflügel (6) im Querschnittprofil diagonal zu­ gespitzt sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrstutzen (10) im Querschnitt stromlinienförmig profi­ liert sind.

6. Verfahren zur Durchführung der Prozesse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pyrolyse der Abfallstoffe mittels überhitztem Dampf als Hitzemedium vorgenommen wird, daß die Abfallstoffe mit überhitztem Dampf dabei in Er­ hitzungskammern direkt beaufschlagt werden, daß die Pyrolyseprodukte im Innenzylinder mit überhitztem Dampf durchspült werden, daß die Zylinder mit überhitztem Dampf verfüllt werden, daß die Außenfläche des Zylinders mit Wasser gekühlt wird und so in dem Zylin­ der ein Vakuumzustand erzeugt wird, daß die hitzeverflüchtigten, kritischen Substanzen mittels Vakuumeffekt gasförmig aus den Pyrolyseprodukten gesaugt werden, daß sie kon­ densierend gelöst gesammelt werden als Kondensat einer Suspension/Säure nach unten abfließend, daß die Temperatur der Pyrolyseprodukte mittels Stromstoß erhöht wird und daß die Müllkohle mittels Dampfstrahl abgetrennt wird von den anderen Pyrolyseproduk­ ten.