DE19640497C2

DE19640497C2 - Koksbeheizter Kreislaufgaskupolofen zur stofflichen und/oder energetischen Verwertung von Abfallmaterialien

Info

Publication number: DE19640497C2
Application number: DE19640497A
Authority: DE
Inventors: Hans Ulrich Dipl Ing Feustel; Joachim Dipl Phys Mallon; Michael Schaaf; Klaus Dr Ing Scheidig
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-10-01
Filing date: 1996-10-01
Publication date: 1999-01-28
Anticipated expiration: 2016-10-02
Also published as: DE19640497A1

Description

Die Erfindung betrifft einen koksbeheizten Kreislaufgaskupolofen zur stofflichen und/oder energetischen Verwertung von Abfallmaterialien unterschiedlicher Zusam mensetzungen.

Aus dem Stand der Technik ist bereits durch DE 43 17 145 C1 ein derartiger koksbe heizter Schachtofen mit einer Einrichtung zur Entsorgung unterschiedlich zusammenge setzter Abfallmaterialien, wie von lackiertem und kunststoffbehaftetem und/oder mit Kunststoff und anderen organischen Verbindungen vermischtem eisenmetallischen und/oder nichteisenmetallischen Schrott, bekannt. Für die Einrichtung ist kennzeichnend, daß mindestens 500 mm unterhalb der maximalen Schüttsäulenhöhe ein Kreislauf gasabsaugring mit gleichmäßig über den Schachtumfang verteilten Kreislaufgasabsau göffnungen angeordnet ist, dieser durch eine Kreislaufgasleitung mit einem Kreislauf gasverteilerring verbunden ist, von dem mehrere Stichleitungen zu dem im unteren Schachtbereich liegenden Gaszuführungsdüsen reichen und zwischen der Schmelz- und Überhitzungszone und den Kreislaufgasabsaugöffnungen Überschußgasdüsen installiert sind, die mit bekannten Einrichtungen, wie einer Gasschockkühlung sowie Anlagen zur Gasreinigung und Wärmerückgewinnung als Überschußgasabsaugung verbunden sind. Verfahrensgemäß werden damit die eingebrachten Abfallmaterialien im oberen Schacht bereich entgast und/oder vergast, die dabei entstehenden staubhaltigen Gase als Kreis laufgas vollständig abgezogen, danach in der Schmelz- und Überhitzungszone mit Sau erstoff verbrannt, wobei sie anschließend die glühende Koks- und Schüttsäule durch strömen; das so entstehende Überschußgas tritt letztendlich zwischen Kreislaufgasab saugöffnung und Schmelz- und Überhitzungszone aus dem Ofen aus oder wird mittels einer Fördereinrichtung, beispielsweise einem Dampfstrahlverdichter abgezogen und einer Abwärmenutzung, Schockkühlung und Entstaubung zugeführt. Durch DE 44 40 504 A1 ist eine weitere Ausführungsform der in DE 43 17 145 C1 offenbarten Einrichtung zur Entsorgung unterschiedlich zusammengesetzter Abfallmaterialien in ei nem koksbeheizten Kreislaufgasofen bekannt, bei der das Überschußgas direkt oder über eine Sammelleitung aus den Überschußgasdüsen in eine mit glühendem Koks ge füllte, vorzugsweise mit Wasser gekühlte Kokskammer mit gasdichtem Schleusensystem inklusive Einwurftrichter strömt. In der Kokskammer werden quasi alle nicht vollständig zerlegten oder zurückgebildeten organischen Verbindungen zu CO, CO₂, H₂, H₂O sowie Sauerstoff- und Wasserstoffverbindungen der Spurengase N, F, Cl und S zerlegt und Staubanteile aus dem Überschußgas bereits vor Erreichen des Filters ausgefiltert. Die Koksfüllung steht dabei im direkten Kontakt mit dem glühenden Füllkoks und der heißen Schüttsäule des Ofenschachtes. Erreicht wird dies, indem die Überschußgasdüsen in einem Winkel größer 0° und vorzugsweise kleiner 90° zur Ofenachse angeordnet und mit einer Sammelleitung oder direkt mit dem unteren Teil der Kokskammer verbunden sind, die ihrerseits im oberen Teil, aber unterhalb des gasdichten Schleusensystems mit Einwurftrichter weiter mit bekannten Einrichtungen, wie einer Gasschockkühlung sowie Anlagen zur Gasreinigung und Wärmerückgewinnung als Überschußgasabsaugung ver bunden ist. Über den anlagenspezifisch gewählten Höhenunterschied zwischen der Ein mündung der Überschußgasdüse oder der Sammelleitung in die Kokskammer und der aus dieser austretenden und beispielsweise zur Gasschockkühlung weiterführenden Rohrleitung soll die Höhe der wirksamen glühenden Koksschüttung in der Kokskammer frei einstellbar sein.

Die in DE 43 17 145 C1 und in DE 44 40 504 A1 dargestellten koksbeheizten Kreislauf gasöfen zur Entsorgung von Abfallmaterialien sind für die stoffliche und/oder energeti sche Verwertung von beispielsweise Hausmüllfraktionen verschiedener Zusammenset zungen auf Grund ihres Ofenkörpers, der ein zylindrischer Schacht ist, schwer einsetz bar. Denn Hausmüllfraktionen aus Aufbereitungsanlagen haben im Vergleich zu minera lischen Einsatzstoffen und eisenmetallischen Komponenten eine niedrigere Erwei chungstemperatur und andere Erweichungsintervalle, woraus temperaturabhängig ande re Konsistenzen resultieren. So ist bereits bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen mit einer verstärkten Haftungsneigung dieser Einsatzstoffe an der Wandung des Ofen körpers zu rechnen, wodurch einerseits ein Absinken der Schüttung behindert wird und andererseits auch eine sukzessive Verdichtung der Schüttsäule eintreten kann. Dies führt dazu, daß durch die damit verminderte oder unterbrochene Energieübertragung vom Prozeßgas auf die Schüttung der Prozeßablauf nicht mehr gewährleistet wird. Günstigere Voraussetzungen für den Einsatz von mit verschiedensten Stoffen behafte ten oder vermischten Schrottsorten (z. B. verölte oder mit Kunststoff beschichtete, mit Farbanstrichen versehene, mit Gummi überzogene oder verzinkte Schrotte) soll ein Sau erstoff-Kupolofen mit Kreislaufgasführung und mit einem vom Begichtungstrichter zum Herd konisch erweiterten Ofenschacht haben, weil die Haftungsneigung der Einsatz stoffe mit niedrigem Erweichungsintervall an der Wandung des Ofenkörpers minimiert wird (DE-Z.: K. Scheidig "Roheisen aus dem Sauerstoff-Kupolofen als alternativer Ein satzstoff für den Lichtbogenofen" in Stahl und Eisen 115 (1995) Nr. 5, S. 59 bis 65). Nachteilig ist aber, daß der bekannte Sauerstoff-Kupolofen eine prozeßspezifisch wün schenswerte, längere Verweilzeit der Einsatzmaterialien in den thermisch definierten Ofenschichtbereichen, wo alle materialspezifischen Ver- und/oder Entgasungs prozesse der Einsatzmaterialien bereits vor dem weiteren Absinken der Schüttung bis in die Schmelz- und Überhitzungszone des Ofens kontrolliert abgeschlossen werden kön nen, verhindert. Bekannt ist auch ein Schachtofen mit einem Gaskreislaufsystem und mit einem Plasmabrenner zur elektrischen Erzeugung der Schmelz- und Überhitzungsener gie, der im Bereich der Ofengasabsaugebene eine großvolumige Untergichtabsaugung zur Reduzierung des CO₂-Austausches und zur Verbesserung des Energienutzungs grades bei den Verbrennungsprozessen hat (DE-Z.: F. Neumann "Entwicklungen beim Schmelzen von Eisenwerkstoffen im Kupolofen unter dem Gesichtspunkt der Energie nutzung sowie der Umwelt- und Klimabelastung" in Giesserei 79 (1992) Nr. 4, S. 134 bis 143). Die Nachteile des als Zukunftsidee dargestellten Schachtofens bestehen in der wirtschaftlich und technisch aufwendigen Erzeugung der Schmelz- und Überhitzungse nergie sowie in der fehlenden Abführung der beim metallurgischen Prozeß entstehenden gasförmigen Reaktionsprodukte, die zu einer ständigen Gaszunahme im Gaskreislaufsy stem und somit aus sicherheitstechnischen Gründen zum Schmelzabbruch führen kön nen.

Der Erfindung liegt deshalb das Problem zugrunde, einen koksbeheizten Kreislauf gaskupolofen zur stofflichen und/oder energetischen Verwertung von Abfallmaterialien verschiedener Zusammensetzungen zu schaffen, der bei Einsatzmaterialien mit unter schiedlicher Konsistenz und unterschiedlichem Erweichungsintervall einen ungestörten Prozeßablauf garantiert.

Zur Lösung dieses Problems ist der eingangs genannte koks beheizte Kreislaufgasofen durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des unab hängigen Anspruchs (1) weitergebildet. Damit ist der Vorteil erzielbar, daß sich die Gasgeschwindigkeiten im Bereich der beiden Gasabsaugebenen stark verringern sowie Zusetzerscheinungen im Bereich der Kreislaufgas- und Überschußgasabsaugöffnungen vermieden und an diesen Absaugöffnungen Staubablagerungen gemindert werden, so daß ein ungehinderter Prozeßablauf auch bei feuchten Abfallmaterialien gesichert ist. Prozeßspezifische Temperaturen von größer 800°C führen deshalb auch nicht mehr zu schädlichen Sintererscheinungen. Insbesondere die lokale Einengung des Ofenschach tes oberhalb der Überschußgasabsaugebene im Bereich der Sauerstoffdüsen, die ein Fachmann aus der Schmelztechnik durch zu erwartende Schwierigkeiten beim Ab schmelzen nicht installieren würde (DE-Z Jahresübersicht Kupolöfen, Giesserei 52 (1965) 10, S. 322-330), ermöglicht dadurch in diesem Bereich eine längere Verweilzeit der Einsatzmaterialien und damit die Ausbildung einer zweiten, durch regelbare Sauerstoffzufuhr gekennzeichneten heißen thermo-chemisch aktiven Zone oberhalb der Schmelz- und Überhitzungszone. In dieser Zone werden alle materi alspezifischen Ver- und/oder Entgasungsprozesse der Einsatzstoffe bereits vor dem weiteren Absinken der Schüttung kontrolliert abgeschlossen.

Der koksbeheizte Kreislaufgaskupolofen ist zur stofflichen und/oder energetischen Ver wertung von Hausmüllfraktionen, asbesthaltigen Bauabbruchstoffen und Bauanfallmate rialien, kontaminierten und/oder schwermetallhaltigen Stofffraktionen aus dem Industrie- und gewerblichen Sanierungsbereich sowie von Reststoffen aus biologischen Aufberei tungsverfahren vorteilhaft einsetzbar.

Die Erfindung soll am Beispiel der stofflichen und energetischen Verwertung einer Mi schung aus einer Hausmüllfraktion, von Sperrmüll und sogenanntem Stabilisat organi schen Ursprungs näher erläutert werden.

In der zugehörigen Zeichnung ist ein erfindungsgemäßer koksbeheizter Kreislaufgasku polofen mit einem vom Begichtungstrichter 1 bis zum Herd 21 konisch erweiterten Ofen schacht 26 im Schnitt dargestellt.

Sie zeigt, daß unterhalb des Begichtungstrichters 1 ein nach unten konisch aufgeweite ter Ofenschachtteil 4 beginnt, in dem unmittelbar oberhalb der Kreislaufgasabsaugebene 2 schräg nach unten geneigte, mit der Reingasseite einer nicht dargestellten Gaswirt schaft oder einem separaten Gasreservoir verbundene Gaszuführungsdüsen 3 angeord net sind. In der Kreislaufgasabsaugebene 2 ist eine sich nach oben konisch aufweitende großvolumige Absaug- und Gasberuhigungsringkammer 5 vorhanden, die mit dem Feu erfestmaterial 10 zugestellt ist und mit einer Wasserkühlung 6 für An- und Abfahrprozes se gekoppelt ist. Diese Absaug- und Gasberuhigungskammer 5, die außerdem einen Rohrstutzen 7 zur Installation eines Zusatzbrenners und/oder eines Schauloches sowie einen oder mehrere Kreislaufgasabsaugstutzen 8 mit Revisionsöffnung 25 hat, welche über Rohrleitungen mit integrierten Stellorganen, Meßeinrichtungen zur Volumenstrom bestimmung und Kompensationselementen für Rohrausdehnungen versehen sind, ist direkt mit einem sauerstoffbetriebenen, wassergekühlten Gasstrahlverdichter 24 verbun den. Unmittelbar unterhalb der Ringkammer 5 schließt sich ein zylindrischer Ofen schachtteil 9 an, der mit dem Feuerfestmaterial 10 bis in den Bereich der Überschuß gasabsaugebene 11 querschnittsverjüngend zugestellt ist und eine oder mehrere einge baute, schräg zur Schmelz- und Überhitzungszone gerichtete Sauerstoffdirekt- Injektionslanze 13 hat. Verbunden ist der Ofenschachtteil 9 im Bereich der Überschuß gasabsaugebene 11 nach unten mit einer großvolumigen Absaug- und Gasberuhigungs ringkammer 12. In die Ringkammer 12 bzw. alternativ dazu in den Überschußgasab saugstutzen 14 ist eine Wasserzuführungseinrichtung 15 und oberhalb von der Wasser zuführungseinrichtung 15 eine Zuführungsschleuse für Feststoffe 16 mit zwei gasdicht arbeitenden Verschlußeinrichtungen 17; 18 und einem Einwurftrichter 19 installiert. Der Überschußgasabsaugstutzen 14 ist über ein nicht dargestelltes Förderorgan mit einer ebenfalls nicht dargestellten Gaswirtschaft verbunden, die ihrerseits auf der Rein gasseite wahlweise mit den Gaszuführungsdüsen 3 verbunden ist. Unterhalb der Ring kammer 12 setzt sich der Ofenschacht 20 als konisch nach unten aufgeweiteter Kegel stumpf fort, in den der Gasstrahlverdichter 24 einmündet, und der in einen zylindrisch ausgebildeten und zugestellten Herd 21 übergeht, in dem die Abzugsöffnungen für die Metallschmelze 22 und flüssige Schlacken 23 installiert sind. Zur stofflichen und energe tischen Verwertung einer Mischung aus einer Hausmüllfraktion, von Sperrmüll und soge nanntem Stabilisat organischen Ursprungs ist, wie nachfolgend beschrieben, zu verfah ren. Die Gattierung besteht aus 26,7% geshreddertem Hausmüll (I), 31,6% Sperrmüll mit einem Schrottanteil (II), 18,9% Hausmüllstabilisat (III/20-60 mm), 17,2% Hausmüll stabilisat (IV/0-20 mm), 3,8% Satzkoks (V) und 1,8% Kalkstein (VI) als Schlackebild ner. Die wesentliche Zusammensetzung der Stoffe zeigen die Tabellen 1a bis 1c. Das Satzgewicht beträgt 1000 kg. Der Ofen ist mit 6 Kreislaufgaseinrichtungen versehen und hat eine Leistung von 7,50 t/h Einsatzstoffe. Er wird wie ein koksgefeuerter Schacht ofen vorbereitet. Nach dem Einbringen des Füllkokses wird der Ofen geschlossen und mit einem Hilfsbrenner und natürlichem Zug bei geschlossener Klappe in der Kreislauf gas- und Überschußgasleitung über den Notkamin angebrannt, nach dem Durchbrennen der Füllkokssäule bis auf Weißglut mittels Sauerstoff und Luft vorgeblasen. Die Luftöff nung am Gasstrahlverdichter 24 wird geschlossen und die Klappen in der Kreislaufgas- und Überschußgasleitung geöffnet. Unmittelbar danach beginnt der Prozeß mit Aufgabe des ersten und weiterer Sätze, bis die obere Füllstandsmarke erreicht ist. Alle nachfol genden Sätze erfolgen zeitabhängig als Funktion der Vergasungs-, Verbrennungs- und Schmelzleistung, also in Abhängigkeit der Absinkgeschwindigkeit der Schüttung. Die Gasstrahlverdichter 24 werden mit insgesamt 2164 Nm³/h Sauerstoff betrieben, so daß an der Kreislaufgasabsaugebene 2 mehr als 100% Gas, d. h. die hier vorliegenden 3750 Nm³/h Kreislaufgas plus die Sperrgasmenge von 52 Nm³/h, die über den Begich tungstrichter 1 eingebracht wird, abgezogen und in die Schmelz- und Verbrennungszone eingeblasen werden. Alternativ ist oberhalb der Sperrgaszuführung ein Gasabzug 27 für die dann entstehenden Verdampfungsprodukte vorgesehen, wenn ein Sperrgas höherer Temperatur verwendet wird, der mit der Gaswirtschaft verbunden ist und durch den diese Verdampfungsprodukte direkt der Gaswirtschaft zugeführt werden können. Da die Pro zesse im Ofen temperaturabhängig sind, werden ca. 50% der im konischen Schacht 26 entstehenden Prozeßgasmenge zwischen Überschußgasabsaugebene 11 und Kreis laufgasabsaugebene 2 und der Rest durch die verbrennungs- und thermochemischen Stoffumwandlungen in der Schmelz- und Überhitzungszone, d. h. primär durch Verbren nung des festen Kohlenstoffpotentiales gebildet. Als Überschußgas werden 8693 Nm³/h abgezogen und der Gaswirtschaft, die einen Desintegrator beinhaltet, zugeführt. Die Temperatur des Gases liegt bei 650°C. Das Gas, welches den Desintegrator mit ca. 35 °C verläßt, besteht aus rd. 33% H₂, 4,6% N₂, 17,3% CO₂, 40% CO und 5,1% H₂O. Etwa 592 l/h Wasser kondensieren aus. Desweiteren entstehen rd. 800 kg/h Metall schmelze und 1660 kg/h Schlacke, die den Anforderungen eines Einsatzes als Baustoff genügen. Nach der Gasreinigung liegt ein gereinigtes Brenngas mit einem Energieäqui valent von 18,55 MW vor. Außerdem entstehen rd. 40 kg/h Desintegratorschlamm und 0,8 kg/h beladener Aktivkoks. Diese Stoffe werden systemintern als externe Staubzuga be durch die Gasstrahlverdichter 24 oder brikettiert über den Begichtungstrichter 1 zuge geben, verschlackt und energetisch genutzt. Die Wasserkühlung 6 kann bei Normalbe trieb als Vorwärmung der eingebrachten Einsatzstoffe genutzt werden. Beim An- und Abfahrbetrieb wird die Funktion als Kühlung genutzt.

Tabelle 1a

Elementaranalyse [Masse-%]

Tabelle 1b

gasförmige Anteile [Masse-%]

Tabelle 1c

mineralische Anteile [Masse-%]

Bezugszeichenliste

01

Begichtungstrichter

02

Kreislaufgasabsaugebene

03

Gaszuführungsdüse

04

konisch aufgeweiteter Ofenschachtteil

05

großvolumige Absaug- und Gasberuhigungsringkammer

06

Wasserkühlung

07

Rohrstutzen

08

Kreislaufgasabsaugstutzen

09

Ofenschachtteil mit lokaler Einengung

10

Feuerfestmaterial

11

Überschußgasabsaugebene

12

großvolumige Absaug- und Gasberuhigungsringkammer

13

Sauerstoffdirekt-Injektionslanze

14

Überschußgasabsaugstutzen

15

Wasserzuführungseinrichtung

16

Feststoff-Zuführungsschleuse

17

Verschlußeinrichtung

18

Verschlußeinrichtung

19

trichterförmige Einwurföffnung

20

kegelstumpfartiger Ofenteil

21

Herd

22

Abzugsöffnung für Metallschmelze

23

Schlackeabzugsöffnung

24

Gasstrahlverdichter

25

Revisionsöffnung

26

konischer Ofenschacht

27

Gasabzug

Claims

1. Koksbeheizter Kreislaufgaskupolofen zur stofflichen und/oder energetischen Ver wertung von Abfallmaterialien unterschiedlicher Zusammensetzungen, bestehend aus einem senkrechten, vom Begichtungstrichter zum Herd konisch erweiterten Ofenschacht mit mehreren um den Umfang des Ofenschachtes angeordneten, un terhalb der Begichtung liegenden Ofengasabsaugöffnungen, die durch Kanäle mit über dem Herd im Bereich der Schmelz- und Überhitzungszone installierten Düsen, welche zentrisch geführte Sauerstofflanzen haben und wie ein Gasstrahlverdichter wirken, verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Ofen schacht (26) im Bereich der Kreislaufgas- und Überschußgasabsaugebene (2; 11) je eine großvolumige Absaug- und Gasberuhigungskammer (5; 12) hat, die durch ein Ofenschachtteil mit querschnittsverjüngender Einengung (9) und mit einer darin ein gebauten, schräg zur Schmelz- und Überhitzungszone gerichteten Sauerstoffdirekt- Injektionslanze (13) verbunden sind und unmittelbar unterhalb des Begichtungs trichters (1) ein zusätzlicher Gasabzug (27) angeordnet ist.

2. Koksbeheizter Kreislaufgaskupolofen nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß in der Absaug- und Gasberuhigungsringkammer (5) ein Rohrstut zen (7) zur Installation eines Zusatzbrenners und/oder eines Schauloches angeordnet ist.

3. Koksbeheizter Kreislaufgaskupolofen nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Absaug- und Gasberuhigungsringkammer (12) als Feststoffzu führungsschleuse (16) ausgeführt oder mit einer Feststoffzuführungsschleuse direkt verbunden ist und mit einem Überschußgasabsaugstutzen (14) sowie mit ein oder meh reren Wasserzuführungseinrichtungen (15) versehen ist.

4. Koksbeheizter Kreislaufgaskupolofen nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der vom Begichtungstrichter (1) bis zum Herd (21) konisch erwei terte Ofenschacht (26) aus konisch erweiterten und/oder zylindrischen Ofenschüssen besteht.