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Dokumentenidentifikation DE102004026646B4 13.12.2007
Titel Verfahren zur thermischen Entsorgung schadstoffhaltiger Substanzen
Anmelder Applikations- und Technikzentrum für Energieverfahrens-, Umwelt- und Strömungstechnik (ATZ-EVUS), 92237 Sulzbach-Rosenberg, DE
Erfinder Quicker, Peter, Dr., 96049 Bamberg, DE;
Fischer, Werner, Dr., 93059 Regensburg, DE
Vertreter Dr. Gassner & Partner, 91052 Erlangen
DE-Anmeldedatum 01.06.2004
DE-Aktenzeichen 102004026646
Offenlegungstag 05.01.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 13.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.12.2007
IPC-Hauptklasse F23G 7/04(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F23G 7/06(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Entsorgung schadstoffhaltiger Substanzen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solches Verfahren ist aus der DE 195 21 673 C2 bekannt. Dabei werden zwei Regeneratoren wechselweise von kaltem, schadstoffhaltigem Rohgas bzw. von heißem, gereinigtem Reingas durchströmt. Das Rohgas wird dabei auf Reaktionstemperatur erhitzt und das Reingas gleichzeitig nahezu auf die Temperatur des Rohgases abgekühlt. Um ein Überströmen von Rohin das Reingas zu vermeiden, ist während des Umschaltens zwischen den Regeneratoren eine Spülphase vorgesehen. Während der Spülphase übernimmt ein dritter, kleiner Regenerator die Reingaskühlung. Das bekannte Verfahren eignet sich nicht zur Vernichtung von Schadstoffen, die an Staub haften oder als Flüssigkeitströpfchen vorliegen, weil diese bereits vor dem Erreichen der Reaktionskammer zum größten Teil in einer Schüttschicht der Regeneratoren abgeschieden werden.

Die US 22 72 108, DE 41 08 744 C1 sowie die DE 42 38 652 C1 offenbaren so genannte Schüttgutregeneratoren, bei denen zwischen einem zylindrischen Heiß- und einem diesen koaxial umgebenden Kaltrost ein Ringraum mit einem darin aufgenommenen Schüttgut als Wärmespeichermedium vorgesehen ist.

Die WO 86/01875 A1 sowie die DE 38 39 679 A1 beschreiben Brenner, welche eine Mitverbrennung schadstoffhaltiger Fluide ermöglichen. Die DE 37 90 402 T1 beschreibt ein Verfahren zur Feuerentgiftung von Flüssigabfällen. Zur Entsorgung halogenhaltiger Flüssigabfälle wird vorgeschlagen, diese gemeinsam mit einem Alkalireaktionsstoff zu verbrennen, so dass im Abgas enthaltene Säuren neutralisiert werden. Die DE 198 58 120 A1 beschreibt ein Verfahren zur Verbrennung organisch belasteter Abwässer. Dabei werden die Abwässer zusammen mit einem inerten Gas zerstäubt und anschließend mit einem verdampften Stützbrennstoff gemischt und verbrannt.

Des Weiteren ist es beispielsweise aus der DE 41 07 200 A1 bekannt, schadstoffhaltige Fluide mittels eines Schwelreaktors thermisch zu entsorgen. Ein solcher Schwelreaktor erfordert einen hohen Herstellungsaufwand. Als Restprodukt bleibt eine glasartige Schlacke zurück, die ihrerseits entsorgt werden muss.

Die DE 44 39 670 A1 betrifft ein Verfahren, bei dem ein flüssiger Abfallstoff in einem heißen Rauchgasstrom verdampft und oxidiert wird. Der flüssige Abfallstoff wird dabei im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung des Rauchgasstroms pulsierend eingedüst. Die EP 0 196 293 B1 beschreibt einen Brenner sowie ein Verbrennungssystem für Reststoffe, bei denen stets ein Gemisch aus drei verschiedenen Flüssigabfallsorten entsorgt wird.

Aus Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KgaA, DOI: 10.1002/14356007.b07_403 ist es bekannt, zur Vermeidung von de-novo-Synthesen die folgenden Bedingungen zu vermeiden: Sauerstoffdefizit, niedrige Temperaturen von 300°C bis 600°C oder eine unangemessene Verweilzeit in Gegenwart von Sauerstoff.

Aus der EP 0 893 153 A1 sowie der EP 0 362 553 B1 ist es bekannt, zur Vermeidung von de-novo-Synthesen einen gesonderten Dioxin-Katalysator einzusetzen.

Soweit sich die bekannten Verfahren insbesondere zur thermischen Entsorgung halogenhaltiger Substanzen eignen, erfordern sie einen hohen apparativen Aufwand. Dennoch kann damit die Bildung hochgiftiger Dioxine häufig nicht wirksam unterbunden werde.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere ein Verfahren angegeben werden, das eine einfache, kostengünstige und effektive thermische Entsorgung schadstoffhaltiger Substanzen ermöglicht. Nach einem weiteren Ziel der Erfindung soll das Verfahren insbesondere die thermische Entsorgung halogenhaltiger Substanzen ermöglichen. Schließlich soll das Verfahren mit möglichst wenig Energieeinsatz durchführbar sein.

Diese Aufgaben werden durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 10.

Nach Maßgabe der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Strömungsgeschwindigkeit des Abgases beim Durchführen durch die Speichermasse so gewählt wird, dass das Abgas im Temperaturbereich von 400°C bis 250°C mit einer Abkühlungsrate von zumindest 2000 K/s abgekühlt wird. – Das vorgeschlagene Verfahren lässt sich einfach beispielsweise unter Verwendung radial durchströmter Schüttgutregeneratoren durchführen, wie sie beispielsweise aus der DE 41 08 744 C1 bekannt sind. Solche Schüttgutregeneratoren zeichnen sich durch einen hohen Wärmegradienten in der Speichermasse aus. Bei Wahl einer geeigneten Strömungsgeschwindigkeit kann ohne großen Aufwand die erfindungsgemäße Abkühlungsrate erreicht werden. Indem das Abgas beim Durchtritt durch die Speichermasse im angegebenen Temperaturbereich mit einer Abkühlungsrate von zumindest 2000 K/s abgekühlt wird, kann es nicht zur Bildung von z. B. Dioxinen, Furanen und dgl. durch Rekombination von im Abgas enthaltenen Molekülen kommen.

Unter einer schadstoffhaltigen Substanz im Sinne der vorliegenden Erfindung wird eine Flüssigkeit, ein Gas, ein Feststoff oder ein Gemisch aus zumindest zwei der vorgenannten Stoffe verstanden, das einen Schadstoff enthält. Bei der schadstoffhaltigen Substanz kann es sich insbesondere um ein "schadstoffhaltiges Fluid" handeln. Unter dem Begriff "schadstoffhaltiges Fluid" wird ein Gas, eine Flüssigkeit oder eine fließfähige Masse verstanden, die einen Schadstoff enthält. Bei dem Schadstoff kann es sich um organische sowie anorganische Substanzen handeln. Insbesondere handelt es sich um Reststoffe oder Nebenprodukte, die bei der industriellen Produktion anfallen. Unter Schadstoffen werden insbesondere halogenhaltige Verbindungen sowie hochgiftige Dioxine, Furane und dgl. verstanden, die üblicherweise in Sondermüllverbrennungsanlagen thermisch entsorgt werden müssen.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden flüssige und gasförmige schadstoffhaltige Substanzen in einem von der Speichermasse umgebenen Innenraum verbrannt. Damit werden Wärmeverluste minimiert; die im Abgas enthaltene Wärme wird besonders effizient auf die Speichermasse übertragen. Bei dem Innenraum kann es sich beispielsweise um den Sammelraum eines Schüttgutregenerators handeln. In diesem Fall kann das Verfahren mit einem relativ geringem apparativen Aufwand durchgeführt werden. Soweit es sich bei den schadstoffhaltigen Substanzen um Feststoffe handelt, kann zusätzlich eine Verbrennung in einer separaten Verbrennungsstufe notwendig sein, um eine vollständige thermische Entsorgung zu gewährleisten.

Das Abgas wird zweckmäßigerweise vom Innenraum radial nach außen durch das Speichermittel geführt. Dabei kann die Speichermasse in einem zwischen einem zylinderförmigen Heißrost und einem diesen umgebenden zylinderförmigen Kaltrost gebildeten Ringraum aufgenommen sein. Mit den vorgenannten Merkmalen kann mit einem geringen apparativen Aufwand die erfindungsgemäße Abkühlungsrate erreicht werden. Dazu können herkömmliche Schüttgutregeneratoren verwendet werden. Derartige Schüttgutregeneratoren sind beispielsweise aus der EP 0 908 692 B1 bekannt, deren Offenbarungsgehalt hiermit einbezogen wird.

Nach einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird das Abgas mittels der Speichermasse gefiltert. D. h., beim Durchtritt des Abgases durch die Speichermasse wird ein wesentlicher Teil einer im Abgas enthaltenen Staubfraktion durch die Speichermasse zurückgehalten. Das Abgas verlässt weitgehend staubfrei die Speichermasse.

Nach einer weiteren Ausgestaltung ist die schadstoffhaltige Substanz brennbar oder sie wird mit einem brennbaren Stoff gemischt. Das erleichtert weiter die Verfahrensführung. Es sind keine besonderen Brenner erforderlich, die eine thermische Entsorgung nichtbrennbarer Fluide ermöglichen.

Zweckmäßigerweise wird periodisch Gas, z. B. Luft, durch die erwärmte Speichermasse geführt. Falls der Heizwert der schadstoffhaltigen Substanzen hoch genug ist, kann das gesamte heiße Gas oder zumindest ein Teil davon in Folgeprozessen genutzt werden. Bei kleinen Heizwerten der schadstoffhaltigen Substanzen ist es zweckmäßig, Luft zu erhitzen und diese der Brennkammer zuzuführen. Damit kann auf einfache und effiziente Weise eine besonders hohe Verbrennungstemperatur erzielt werden.

Das Umschalten von Abgas auf Gas und umgekehrt kann in Abhängigkeit der Temperatur der Speichermasse oder zeitabhängig gesteuert werden. Eine temperaturabhängige Steuerung hat den Vorteil, dass sie genauer und flexibler ist. Insbesondere ist eine solche Steuerung nicht von der Art der verbrannten Substanzen abhängig.

Beim Durchleiten des Abgases durch die Speichermasse wird die Temperatur im Innenraum zweckmäßigerweise auf zumindest 850°C gehalten. Damit und durch die Einhaltung einer ausreichend langen Verweildauer in der heißen Reaktionskammer wird sichergestellt, dass die in der schadstoffhaltigen Substanz enthaltenen Schadstoffe nahezu vollständig thermisch unschädlich gemacht werden.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Die einzige Fig. zeigt zwei Schüttgutregeneratoren in unterschiedlicher Betriebsweise.

In der Fig. sind ein erster 1 und ein zweiter Regenerator 2 gezeigt. Jeder der Regeneratoren 1, 2 weist einen zylindrischen Heiß- 3 und einen den Heißrost 3 koaxial umgebenden zylindrischen Kaltrost 4 auf. Der Kaltrost 4 wiederum ist von einer Außenhülle 5 umgeben. In einem zwischen dem Heiß- 3 und dem Kaltrost 4 gebildeten Ringraum ist eine Speichermasse 6, z. B. eine aus keramischen Kugeln gebildete Schüttung, aufgenommen. Ein vom Heißrost 3 umgebener Innenraum 7 weist eine untere Öffnung 8 auf. Der zwischen dem Heiß- 3 und dem Kaltrost 4 gebildete Ringraum mündet in eine obere Öffnung 9. An der unteren Öffnung 8 ist ein Brenner 10 mit einem Einlass 11 für ein zu verbrennendes Gemisch vorgesehen. Der Brenner 10 weist außerdem einen Auslass 12 zur Abfuhr vorgewärmten Gases auf.

In der Fig. befindet sich der erste Regenerator 1 in der so genannten "Heizphase". Durch den Einlass 11 wird der brennbare Schadstoff oder – bei zu geringem Heizwert des brennbaren Schadstoffs – ein Schadstoff/Brennstoffgemisch zugeführt. Das Fluid kann insbesondere eine schadstoffhaltige Flüssigkeit enthalten. Es kann selbst brennbar sein. Die zur Verbrennung der Schadstoffe eingesetzte Verbrennungsluft ist zweckmäßigerweise vorgewärmt. Sie wird am Auslass 12 des gleichzeitig in der so genannten "Windphase" betriebenen zweiten Regenerators 2 entnommen. Das aus vorgewärmter Verbrennungsluft und Schadstoff/Brennstoffgemisch bestehende Gemisch wird mit einer vom Brenners 10 ausgehenden und durch die untere Öffnung 8 in den Innenraum 7 reichende Flamme verbrannt. Dabei beträgt die Temperatur im Innenraum 7 stets zumindest 850°C. Das bei der Verbrennung gebildete Abgas durchdringt radial den Heißrost 3, die Speichermasse 6 und wird über die obere Öffnung 9 abgeführt. Beim Durchtritt des Abgases durch die Speichermasse 6 wird dieses im Temperaturbereich von 400°C bis 250°C mit einer Abkühlungsrate von zumindest 2000 K/s abgekühlt. Die Abkühlrate beträgt vorzugsweise mindestens 3000 K/s, d.h. die Abkühlung von 400°C auf 250°C findet in etwa 50 ms statt. Die Abkühlungsrate kann selbstverständlich auch höher sein.

Eine Abkühlungsrate von 2000 K/s hat sich in den meisten Fällen als ausreichend erwiesen. Insbesondere mit Schüttgutreaktoren können aber ohne weiteres auch höhere Abkühlungsraten von 3000 K/s oder mehr, z. B. 4000, 5000 oder 6000 K/s erreicht werden.

Infolge der extrem hohen Abkühlrate wird dem Abgas schlagartig so viel Energie entzogen, dass es nicht zu einer Rekombination von Molekülen, insbesondere zur Bildung von Dioxinen nach der aus der Literatur bekannten De-novo-Synthese oder Furanen kommen kann.

Eine im Abgas enthaltene Staubfraktion wird überdies beim Durchtritt durch das Speichermittel 6 darin zurückgehalten. Das aus der oberen Öffnung 9 austretende Abgas ist weitgehend frei von Staub. Das Abgas kann in weiteren herkömmlichen Verfahrensschritten, z. B. einer Gaswäsche und anderen Reinigungsschritten, unterzogen werden. Während der erste Regenerator 1 sich in der "Heizphase" befindet, wird der zweite Regenerator 2 in der so genannten "Windphase" betrieben. Dazu wird beispielsweise Luft auf Umgebungstemperatur durch die obere Öffnung 9 zugeführt. Die Luft wird durch die Speichermasse 6 und den Heißrost 3 in den Innenraum 7 geführt. Die Speichermasse 6 ist während eines vorhergehenden Betriebs des zweiten Regenerators 2 in der "Heizphase" aufgeheizt worden. Es gibt seine Wärme an die hindurch geführte Luft ab. Die vorgewärmte Luft verlässt den Innenraum 7 durch die untere Öffnung 8 und von da durch den Brenner 10 und den Auslass 12. Sie dient als vorgewärmte Verbrennungsluft zur Verbrennung der Substanz im gleichzeitig in der "Heizphase" betriebenen ersten Regenerator 1.

Der erste 1 und der zweite Regenerator 2 werden wechselweise in der "Heizphase" und in er "Windphase" betrieben. Damit kann eine quasi kontinuierliche thermische Entsorgung schadstoffhaltiger Substanzen erreicht werden. Neben der Entsorgung der Substanzen wird außerdem durch deren Verbrennung die darin gespeicherte chemische Energie nutzbar gemacht. Sie kann einerseits dazu verwendet werden, das Verfahren möglichst energiesparend durchzuführen. Andererseits ist es aber auch möglich, einen Teil der gewonnen vorgewärmten Luft zur Erzeugung beispielsweise von Energie oder zum Heizen zu verwenden.

Als Speichermasse 6 können z. B. Schüttgüter mit Korngrößen zwischen 4 und 10 mm verwendet werden. Die verwendeten Schüttgüter müssen eine hohe Temperaturbeständigkeit sowie eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit aufweisen. Ferner sind die Schüttgüter so auszuwählen, dass sie mit geringem Aufwand eine Trennung von Staub und Schüttung ermöglichen. Bei einer Temperatur im Innenraum 7 von weniger als 1000°C können als Schüttgüter beispielsweise Eifellava, Basaltsplitt oder MgO-Granulat zum Einsatz kommen. Bei Temperaturen von mehr als 1000°C im Innenraum 7 haben sich als Schüttgüter Al2O3-Keramikkugeln als geeignet erwiesen. Es können aber auch andere Materialien, wie z. B. ZrO2, verwendet werden.

Durch den in der Speichermasse aufgefangenen Staub kann es zu einem Druckverlust über den Regenerator kommen. Um dem entgegenzuwirken, kann das erfindungsgemäße Verfahren mit herkömmlichen Verfahren zum Entfernen von Staub aus der Schüttung kombiniert werden. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der DE 197 44 387 C1 bekannt. Dabei wird die Speichermasse bzw. das Schüttgut aus dem Schüttgutreaktor nach unten abgezogen, pneumatisch im Flug- oder Dichtstrom wieder nach oben transportiert und in den Regenerator zurückgeführt. Dabei ist es möglich, den im Schüttgut enthaltenen Staub beispielsweise mittels eines Zyklons abzutrennen.

Ferner ist es auch möglich, das Schüttgut beispielsweise mit Rohrkettenförderern, Becherwerken oder Schwingwendelförderern vertikal oder mit Schnecken, Fluidboden- oder Metallbandförderern horizontal zu transportieren. In diesem Fall können zum Abtrennen des Staubs beispielsweise Schwing- oder Trommelsiebe eingesetzt werden.

1
erster Regenerator
2
zweiter Regenerator
3
Heißrost
4
Kaltrost
5
Außenhülle
6
Speichermasse
7
Innenraum
8
untere Öffnung
9
obere Öffnung
10
Brenner
11
Einlass
12
Auslass


Anspruch[de]
Verfahren zur thermischen Entsorgung schadstoffhaltiger Substanzen, wobei die Substanzen verbrannt und das bei der Verbrennung gebildete Abgas abwechselnd durch eine Speichermasse (6) eines von mehreren Regeneratoren (1, 2) geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strömungsgeschwindigkeit des Abgases beim Durchführen durch die Speichermasse (6) so gewählt wird, dass das Abgas im Temperaturbereich von 400°C bis 250°C mit einer Abkühlungsrate von zumindest 2000 K/s abgekühlt wird. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Substanzen in einem von der Speichermasse (6) umgebenen Innenraum (7) verbrannt werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Abgas vom Innenraum (7) radial von innen nach außen durch die Speichermasse (6) geführt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Speichermasse (6) in einem zwischen einem zylinderförmigen Heißrost (3) und einem diesen umgebenden zylinderförmigen Kaltrost (4) gebildeten Ringraum aufgenommen ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Abgas mittels der Speichermasse (6) gefiltert wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Substanzen brennbar sind oder mit einem brennbaren Stoff gemischt werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei periodisch Gas, vorzugsweise Luft, durch das vom Abgas erwärmte Speichermittel (6) geführt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Substanzen zur Verbrennung mit vorgewärmtem Gas, vorzugsweise vorgewärmter Luft, gemischt werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 und 8, wobei das Umschalten von Abgas auf Gas und umgekehrt in Abhängigkeit der Temperatur der Speichermasse (6) oder zeitabhängig gesteuert wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 9, wobei beim Durchleiten des Abgases durch die Speichermasse (6) die Temperatur im Innenraum (7) auf zumindest 850°C gehalten wird.






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