Projekt 01746/01

Mehrstufige Vergasung von Restmüll auf einem Rost

Projektdurchführung

Clausthaler Umwelttechnik-Institut (CUTEC) GmbH
Leibnizstr. 21 + 23
38678 Clausthal-Zellerfeld

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Voruntersuchungen des Antragstellers haben gezeigt, daß gegenüber der klassischen Müllverbrennung auf einem Rost die Prozeßführung mit Vergasung auf einem Rost mit getrennter, unabhängiger Nachverbrennung in einem Brennkammersystem eine Reihe von Vorteilen insbesondere im Hinblick auf die Minderung von Emissionen durch Primärmaßnahmen aufweist. Zielsetzung des Vorhabens war daher die Untersuchung und Erprobung von Optimierungsmöglichkeiten dieses neuen Vergasungs-Nachverbrennungsverfahrens an einer Pilotanlage.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZunächst wurde ein Martin-Rückschubrost in ein bestehendes Konzept aus Brennkammer und Wärmeübertrager sowie Abgasreinigung eingebaut. An dieser 0,5 MW Pilotanlage wurden dann für verschiedene Modellbrennstoffe (Holz, Braunkohle) sowie für Restabfälle u.a. Variationen der Luftzahl und -stufung, Roststabgeschwindigkeit, Sauerstoffanreicherung in der Primärluft sowie Luftstufung und Abgasrückführung in der Nachverbrennung untersucht.
In dem hier gesteckten Rahmen konnten zunächst nur grundsätzliche Aspekte, überwiegend mit Modellbrennstoffen und ersten Anwendungen mit Restabfällen, untersucht werden. Die Untersuchungen mit verschiedenen Restabfällen wurden begonnen. Ebenso sind erste Erfahrungen im Hinblick auf die Einbeziehung einer IR-Kamera für ein Regelungskonzept gewonnen worden. Zur Erweiterung des Verständnisses des Feststofftransportes auf dem Rost wurden Verweilzeituntersuchungen mit Modellstoffen an einem Kalt-Rostmodell durchgeführt.


Ergebnisse und Diskussion

Die Verhältnisse der Pilotanlage mit einer thermischen Leistung von ca. 0,5 MWth ermöglichen eine Übertragung der ermittelten Versuchsergebnisse auf eine großtechnische Anlage.
Durch die gezielte Steuerung der Haupteinflußgrößen Sauerstoffkonzentration, Temperatur und Verweilzeit entlang des Rostweges (Reaktionsweges) können die Teilvorgänge Trocknung, Entgasung, Vergasung und Restausbrand gezielt beeinflußt werden. Ein vollständiger Feststoffumsatz mit Glühverlusten der Aschen kleiner 1 Ma.-% ist möglich.
Bei der unterstöchiometrischen Betriebsweise wird ein Teil der im Brennstoff gebundenen chemischen Enthalpie in Form brennbarer Gase dem Nachverbrennungsprozeß zugeführt. Bei dem Vergasungsbetrieb ist aufgrund dieses unvollkommenen Umsatzes die Gefahr einer Überhitzung der Rostelemente und einer Überschreitung der Ascheschmelztemperatur gering. Das wirkt sich positiv auf die Standzeiten der Roststäbe aus.
Im Vergleich zu der überstöchiometrischen Fahrweise ergeben sich bei Vergasungsbetrieb aufgrund der deutlich niedrigeren Luftmassenströme entsprechend kleinere Strömungsgeschwindigkeiten im Feststoffbett mit erwartungsgemäß verminderter Flugstaubbildung.
Mit den Versuchen zum Einsatz der IR-Kamera unter Vergasungsbedingungen ist ein erster Schritt zur Einbindung dieser Meßmethode in ein Regelungskonzept gegeben.
Die Ergebnisse der Verweilzeit-Untersuchungen geben grundlegende Erfahrungen zu dem Feststofftransport auf großtechnischen Rostsystemen wieder. Erstmals wurden qualitative Ergebnisse zu den Abhängigkeiten von Haupteinflußgrößen ermittelt. Eine Übertragung der Ergebnisse in die Praxis erfordert weiterführende Untersuchungen.
Für die Optimierung des Nachverbrennungsprozesses können wie erwartet die bekannten Primärmaßnahmen für Gas- und Staubfeuerungen angewendet werden. Ohne zusätzliche Sekundärmaßnahmen können bei entsprechender Stufung Rost/Nachbrennkammer und in der Nachbrennkammer NO-Konzentrationen unter 100 mg/m3 bei gleichzeitig hohem Ausbrand der Gase erreicht werden. Die zugehörigen CO-Konzentrationen liegen unterhalb von 10 mg/m3.
Bei mehrstufiger Vergasung und anschließender zweigestufter Nachverbrennung von kontaminierten Hölzern lagen die PCDD/F-Emissionen in einem Bereich von 0,01 ng/m3 bis 0,06 ng/m3 TE/BGA und damit deutlich unter dem gesetzlichen Grenzwert von 0,1 ng/m3. Durch eine entsprechend optimierte Nachverbrennung (Mischung, Verweilzeit, Sauerstoff, heiße Wände usw.) wurden bei 900 °C ähnlich niedrige PCDD/F-Konzentrationen gemessen wie bei 1200 °C. Dies bestätigt die Erkenntnis, daß die Haupteinflußgrößen Temperatur, Sauerstoffkonzentration, Verweilzeit und Verweilzeitverhalten im Zusammenhang diskutiert werden müssen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse sind in Fachzeitschriften und auf wissenschaftlich begutachteten Tagungen vorgestellt und diskutiert worden (z. B.):
· Beckmann, M.; Scholz, R.: Modellvorstellungen zum Feststoffumsatz bei Rückständen in Rostfeuerungen. GVC-Symp. Abfallwirtschaft - Herausforderung und Chance, Würzburg, 1994.
· Scholz, R.; Beckmann, M.; Schulenburg, F.: Entwicklungsmöglichkeiten der Prozeßführung bei Rostsystemen zur thermischen Abfallbehandlung. FDBR, Rostock, 1996.
· Beckmann, M.; Scholz, R.; Wiese, C.; Busch, M.; Peppler, E.: Gasification of Waste Materials in Grate Systems. 4th INFUB Conf. Porto, 1997.
· Beckmann, M.; Scholz, R.: Vergasung von Abfällen in Rostsystemen. In: Born, M.; Berghoff, R. (Hrsg.): Vergasungsverfahren für die Entsorgung von Abfällen, Springer-VDI-Verlag GmbH, Düsseldorf, 1998. ISBN 3-18-990035-3.
Darüber hinaus wurden das Projekt und die Ergebnisse auf verschiedenen Fachmessen (ACHEMA, ENVITEC, Hannover Messe) präsentiert.


Fazit

Bei der getrennten Prozeßführung ist das Niveau der NO- und der CO-Konzentrationen deutlich niedriger als bei einer üblichen überstöchiometrischen Fahrweise der Rostanlage. In Verbindung mit den durch Primärmaßnahmen erreichten Verminderungen der NO- und der CO-Konzentrationen ergibt sich so eine deutliche Reduzierung des Schadstoffausstoßes (Schadstofffrachten) gegenüber konventionell betriebenen Anlagen.
Im Vergleich zu den Verhältnissen konventioneller Anlagen bedeutet das eine erhebliche Reduzierung der Abgasströme und damit auch eine Reduzierung von Schadstofffrachten. Dies führt zu einer Verminderung des Aufwandes bei der Abgasreinigung (Sekundärmaßnahmen) und zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades des Gesamtprozesses