Abfallbehandlung in thermischen Verfahren: Verbrennung, Vergasung, Pyrolyse, Verfahrens- und Anlagenkonzepte

460 Pages·2001·19.769 MB·German

by  Prof. Dr.-Ing. Reinhard Scholz, Prof. Dr.-Ing. Michael Beckmann, Dr.-Ing. Frank Schulenburg (auth.)

Teubner-Reihe UMWELT
R. Scholzl M. Beckmannl F. Schulenburg
Abfallbehandlung in thermischen Verfahren
Teubner-Reihe UMWELT
Herausgegeben von
Prof. Dr. mult. Dr. h.c. Müfit Bahadir, Braunschweig
Prof. Dr. Hans-Jürgen Collins, Braunschweig
Prof. Dr. Bertold Hock, Freising
Diese Buchreihe ist ein Forum für Veröffentlichungen zum gesamten
Themenbereich Umwelt. Es erscheinen einführende Lehrbücher,
Monographien und Forschungsberichte, die den aktuellen Stand der
Wissenschaft wiedergeben.
Das inhaltliche Spektrum reicht von den naturwissenschaftlich-techni
schen Grundlagen über umwelttechnische Fragestellungen bis hin zu
juristisch, sozial- und gesellschaftswissenschaftlich ausgerichteten
Titeln. Besonderer Wert wird dabei auf eine allgemeinverständliche,
dennoch exakte und präzise Darstellung gelegt. Jeder Band ist in sich
abgeschlossen.
Die Autoren der Reihe wenden sich vorwiegend an Studierende,
Lehrende sowie in der Praxis tätige Fachleute.
Abfallbehandlung in
thermischen Verfahren
Verbrennung, Vergasung, Pyrolyse, Verfahrens
und Anlagenkonzepte
Von Prof. Dr.-Ing. Reinhard Scholz
Technische Universität Clausthal
Prof. Dr.-Ing. Michael Beckmann
Bauhaus-Universität Weimar
Dr.-Ing. Frank Schulenburg
Technische Universität Clausthal
m
B.G.Teubner Stuttgart· Leipzig· Wiesbaden
Prof. Dr.-Ing. Reinhard Sc holz
Geboren 1943 in Breslau. Von 1962 bis 1968 Maschinenbaustudium, Vertiefungsrichtung
Kraft- und Arbeitsmaschinen an der Technischen Universität Hannover. Von 1968 bis
1971 Tätigkeit als Versuchsingenieur bei der Thyssen-Niederrhein AG in Oberhausen.
Von 1971 bis 1972 wissenschaftlicher Assistent am Institut für Wärmetechnik und Indu
strieofenbau der Technischen Universität Clausthal in Clausthal-Zellerfeld. Promotion
zum Dr.-Ing. am vorgenannten Institut. Von 1973 bis 1976 Oberingenieur am vorgenann
ten Institut. Von 1976 bis 1983 Professur an der Hochschule Bremerhaven, Schwerpunkt
Heizungs-, Lüftungs-und Klimatechnik. Seit 1983 Professur am Institut für Energieverfah
renstechnik und Brennstofftechnik der Technischen Universität Clausthal, Leitung der
Abteilung Thermische Thermodynamik und Energiewandlung. Seit 1998 geschäfts
führender Leiter des vorgenannten Institutes.
Prof. Dr.-Ing. Michael Beckmann
Geboren 1964 in Dresden. Von 1984 bis 1989 Studium der Grundstoffverfahrenstechnik,
Vertiefungsrichtung Brennstofftechnik an der TU Bergakademie Freiberg. Von 1989 bis
1990 Verfahrensingenieur im Bereich der Braunkohlentrocknung, Braunkohlenkombinat
Senftenberg. Von 1990 bis 1995 wissenschaftlicher Mitarbeiter, Abteilung Energieverfah
renstechnik und Thermische Reststoffbehandlung der Clausthaler Umwelttechnik-Institut
GmbH (CUTEC-Institut GmbH) in Clausthal-Zellerfeld. 1995 Promotion zum Dr.-Ing. am
Institut für Energieverfahrenstechnik und Brennstofftechnik der Technischen Universität
Clausthal. Von 1995 bis 2000 Abteilungsleiter Thermische Reststoffbehandlung und
Energieverfahrenstechnik und von 1996 bis 2000 Hauptabteilungsleiter Umweltverfah
renstechnik der CUTEC-Institut GmbH. Seit 2000 Professur für Verfahren und Umwelt an
der Bauhaus-Universität Weimar.
Dr.-Ing. Frank Schulenburg
Geboren 1958 in Coswig/Anhalt. Von 1975 bis 1978 Lehre bei der Preussag AG in
Oker.1979 Betriebsschlosser bei der Preussag AG in Oker. 1980 bis1982 Techniker der
Fachrichtung Maschinenbau in der Vertiefungsrichtung Konstruktion an der Techniker
schule der Stadt Braunschweig. Von 1982 bis 1986 Studium der Versorgungstechnik an
der Fachhochschule Wolfenbüttel. Von 1986 bis 1991 Studium der Verfahrenstechnik an
der Technischen Universität Clausthal. Seit 1991 wissenschaftlicher Assistent am Institut
für Energieverfahrenstechnik und Brennstoff technik der Technischen Universität Claus
thaI. 1999 Promotion zum Dr.-Ing. am vorgenannten Institut.
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
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Der Deutschen Bibliothek erhältlich.
1. Auflage Februar 2001
Alle Rechte vorbehalten
© B. G. Teubner GmbH, Stuttgart/Leipzig/Wiesbaden, 2001
Der Verlag Teubner ist ein Unternehmen der Fachverlagsgruppe BertelsmannSpringer.
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Umschlaggestaltung: Peter Pfitz, Stuttgart
ISBN 978-3-519-00402-8 ISBN 978-3-322-90854-4 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-90854-4
Vorwort
In seinem Buch "Elektrizität aus Kehricht" beschrieb E. de Fodor im Jahr 1911
den Stand der Technik bei der Abfallbehandlung. Dabei waren Zusammen
setzung, Sammlung, Sortierung und Verwertung von Abfällen bereits damals
aktuelle Themen.
Inzwischen hat das Fachgebiet der Abfallbehandlung eine vielseitige Erweiterung
erfahren, wobei immer wieder von Erkenntnissen grundlegender natur- und inge
nieurwissenschaftlicher Zusammenhänge in den Bereichen der mechanischen Ver
fahrenstechnik und der Aufbereitungstechnik, der Reaktions- und Brennstofftech
nik, des Industrieofenbaus, der Biotechnologie sowie nicht zuletzt auch der
Analytik von Schadstoffen Impulse auf die Abfallbehandlung ausgingen. Trotz
großer Fortschritte sind die Kenntnisse über die Behandlung von Abfällen und die
Reduzierung der Umweltbeeinflussungen ebenso wie die Möglichkeiten zur Ver
besserung der Wirtschaftlichkeit nicht abgeschlossen.
Selbst wenn man eine Unterteilung in die Bereiche mechanische, biologische und
thermische Abfallbehandlung vornimmt, fällt eine umfassende Darstellung der
Einzelaspekte schwer. Zahlreiche Forschungsberichte, Berichte über praktische
Erfahrungen und über Konzepte liegen veröffentlicht in Zeitschriften und Kon
ferenzberichten, in Fachbüchern und Monografien vor und zeigen, wie sprung
artig die Weiterentwicklung vorangeht.
Vor diesem Hintergrund der bekannten zahlreichen Verfahrens- und Einzel
aspekte wird in dem vorliegenden Buch der Versuch unternommen, bei der Ab
fallbehandlung in thermischen Verfahren allgemeine verfahrenstechnische Grund
bausteine aufzuzeigen und zu beschreiben, weil damit verschiedene Prozesse prin
zipiell eingeteilt, aber auch systematisch aufgebaut werden können. Ausgehend
von der Art des Abfalls und den Haupteinflußgrößen lassen sich im Zusammen
hang mit den aus den Grundbausteinen folgenden Randbedingungen und Anforde
rungen sowie den zur Verfügung stehenden Apparaten und Apparateelementen
Verfahren systematisch zusammensetzen und analysieren. Weiter können auf die
se Weise künftige Entwicklungen abgeschätzt und abgeleitet werden. Darüber
hinaus erhält man einheitliche Bilanzgrenzen für den Vergleich ganz unterschied
licher Verfahren oder auch Verfahrensketten, z.B. aus mechanisch-biologischer
und thermischer Behandlung. Nach der Abhandlung und Bewertung des Standes
der Technik und der derzeit diskutierten künftigen Entwicklungen wird auf den
Einsatz von Ersatzbrennstoffen aus Abfall in der Grundstoffindustrie eingegangen
und eine Bewertung verschiedener Anwendungsfälle im Vergleich zu der her
kömmlichen thermischen Abfallbehandlung aufgezeigt. Abschließend wird auf die
6 Vorwort
Möglichkeiten einer Modellierung bei der thermischen Abfallbehandlung und den
Einsatz von Prozeßmodellen zur Projektierung und Betriebsoptimierung einge
gangen.
In dem Buch sind eine Vielzahl experimenteller und theoretischer Arbeiten aus
dem Institut für Energieverfahrenstechnik und Brennstofft echnik der Technischen
Universität Clausthal und aus der Zusammenarbeit mit der Clausthaler Umwelt
technik-Institut GmbH eingeflossen. Hierbei haben eine Reihe von Mitarbeitern
und Studenten mitgewirkt. Namentlich seien stellvertretend die Herren Dr.-Ing.
Gerd Klöppner, Dr.-Ing. Christian Malek, Dr.-Ing. Norbert Schopf, Dipl.-Ing. Jost
Sternberg, Dr.-Ing. Christian Weichert, sowie Dipl.-Ing. Milan Davidovic,
Dipl.-Ing. Hans-Joachim Gehrmann, Dipl.-Ing. Olaf Neese und Dipl.-Ing.
Christian Wiese erwähnt. Besonderen Dank mächten in diesem Zusammenhang
die Verfasser an das Werkstattpersonal, insbesondere Herrn Herbert Hillebrecht,
für die umfangreiche Betreuung der Versuchsanlagen und die meßtechnische
Begleitung richten. Ebenso sei Herrn Tobias Kirchner für die Umsetzung der
Abbildungen und Tabellen sowie der redaktionellen Satzbearbeitung gedankt.
Die Verfasser widmen dieses Buch Herrn Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Rudolf
Jeschar, Technische Universität Clausthal, zum 70. Geburtstag. Außerdem sei
Herrn Prof. Dr.-Ing. Hans-Jürgen Collins und dem Verlag für das Entgegenkom
men beim Gestalten und Herausgeben des Buches gedankt.
Clausthal-Zellerfeld und Weimar, im November 2000 Reinhard Scholz
Michael Beckmann
Frank Schulenburg
Inhalt
1 Einleitung und Problemstellung ............................................................... 13
2 Abfallcharakterisierung und -vorbehandlung .................................. 20
2.1 Abfallcharakterisierung und Mengen ......................................................... 20
2.1.1 Begriffsbestimmung .............................................................................................. 20
2.1.2 Hausmüll, hausmüllähnlicher Gewerbeabfall und Sperrmüll ................... 22
2.1.3 Sonderabfall ............................................................................................................ 26
2.1.4 Klärschlamm ........................................................................................................... 27
2.1.5 Sonstige Abfälle ..................................................................................................... 28
2.2 Abfallvorbehandlung ......................................................................................... 29
2.2.1 Allgemeines ............................................................................................................ . 30
2.2.2 Mechanische Vorbehandlung ............................................................................ . 31
2.2.3 Biologische Vorbehandlung ................................................................................ 34
2.2.4 Beispielhafte Verfahrens linien zur mechanischen und biologischen
Vorbehandlung von Restabfällen aus Hausmüll ........................................... 37
3 Haupteinflußgrößen ........... ..... ............. .......... ................ ......... ........................ 45
3.1 Einsatzstoff ............................................................................................................ 45
3.2 Sauerstoffangebot ............................................................................................... 47
3.3 Reaktionsgas .......................................................................................................... 50
3.4 Reaktorverhalten .................................................................................................. 51
3.5 Art der Stoffzufuhr ............................................................................................. 53
3.6 Verweilzeit ............................................................................................................. 53
3.7 Temperatur ............................................................................................................. 54
3.8 Druck ........................................................................................................................ 56
3.9 Zusatzstoffe ........................................................................................................... 57
4 Verbrennung ....................................................................................................... 58
4.1 Allgemeines ........................................................................................................... 58
4.2 Stöchiometrie ........................................................................................................ 59
4.2.1 Stöchiometrie für feste und flüssige Brennstoffe .......................................... 59
4.2.2 Stöchiometrie für gasförmige Brennstoffe ...................................................... 65
4.3 Reaktions- und Abgasmengen ....................................................................... 70
8 Inhalt
4.3.1 Stöchiometriezahl.................................................................................................. 70
4.3.2 Reaktionsgasmengen ............................................................................................. 71
4.3.3 Abgasmengen .......................................................................................................... 74
4.4 Energiebilanz ........................................................................................................ 78
4.4.1 Allgemeines ............................................................................................................. 78
4.4.2 Kalorische Verbrennungstemperatur (Verbrennungstemperatur) ............ 81
4.4.3 Theoretische Verbrennungstemperatur ............................................................ 85
4.4.4 Bilanztemperatur .................................................................................................... 85
4.4.5 Sauerstoffanreicherung ......................................................................................... 86
5 Vergasung ............................................................................................................. 92
5.1 Allgemeines ........................................................................................................... 92
5.2 Stöchiometrie ........................................................................................................ 96
5.3 Gleichgewicht ....................................................................................................... 96
5 .4 Vergasungsrechnung ............................................................ ................. ....... ...... 101
6 Pyrolyse ............................................................................................ ...................... 115
6.1 Allgemeines ........................................................................................................... 115
6.2 Haupteinflußgrößen ............................................................................................ 116
6.3 Massen- und Energiebilanz ............................................................................. 120
7 Mechanismen zur Schadstoffe ntstehung und -verminderung
in Feuerungen ................................................................................ ...... ...... ......... 122
7.1 Allgemeines ......................................................................................... ......... ......... 122
7.2 Primärmaßnahmen .............................................................................................. 124
7.2.1 Ausbrand (Kohlenmonoxid, Ruß, Flugkoks, Kohlenwasserstoffe) .......... 124
7.2.2 Stickstoffoxide ........................................................................................................ 135
7.2.3 Ausbrand und Stickstoffoxide ............................................................................ 140
7.3 Sekundärmaßnahmen ......................................................................................... 150
7.3.1 Schwefeldioxid, Chlor-und Fluorwasserstoff ............................................... 150
7.3.2 Schwermetalle ......................................................................................................... 154
8 Systematischer Aufbau von Prozeßführungen ................................. 156
8.1 Prozeßführung bei gasförmigen, flüssigen oder
staubförmigen Abfällen ...................................................................... ........... ... 156
8.1.1 Anforderungen an die Vermischung ................................................................. 156
8.1.2 Trennung von Reaktion und Wärmeübertragung .......................................... 160
8.1.3 Temperatumiveau und Temperaturverteilung ............................................... 160
8.1.4 Bedingungen und Forderungen aus der Schadstoffbegrenzung ................ 162
8.2 Prozeßführung bei stückigen Abfällen ....................................................... 168
9 Apparate ................................................................................................................ 172
9.1 Brennkammersysteme ....................................................................................... 172
9.2 Drehrohrsysteme .................................................................................................. 175
9.3 Rostsysteme ........... ............ ....................... ............................... ..................... ......... 179
9.4 Etagenöfen .............................................................................................................. 186
9.5 Wirbelschichtreaktoren ....................... .......................................... .................... 190
9.6 Durchlauföfen ....................................................................................................... 192
9.7 Schachtreaktoren ................... .............................................................................. 194
10 Systematische Darstellung, Bilanzierung und Bewertung ......... 198
10.1 Systematische Darstellung ............................................................................... 198
10.2 Sachbilanzen .......................................................................................................... 203
10.2.1 Massenbilanz ........................................................................................................... 203
10.2.2 Stoffbilanz ................................................................................................................ 206
10.2.3 Energiebilanz ........................................................................................................... 207
10.3 Bewertungskriterien ........................................................................................... 208
10.3.1 Bildung von Wirkungsgraden ............................................................................. 208
10.3.2 Anlagenwirkungsgrad ........................................................................................... 212
10.3.3 Primärwirkungsgrad .............................................................................................. 216
10.3.4 Nettoprimärwirkungsgrad und Aufwandsgrad .............................................. 216
10.3.5 Bewertung von Hochtemperaturprozessen zur Produktion von
Grundstoffen ............................................................................................................ 221
10.3.6 Wirkungsgrade von thermischen Abfallbehandlungsanlagen im
Verbund mit anderen Verfahren ............................... ......................................... 222
10.3.7 Abgasmassenverhältnis, Emissionskonzentration und
Emissionsfracht .... .................... .............................................................................. 224
10.4 Beispiel anhand einer klassischen Hausmüllverbrennung;
konstanter Abfallheizwert......................................................... ................... .... 225
10.4.1 Systematische Darstellung ................................................................................... 227
10.4.2 Sachbilanzen ............................................................................................................ 228
10.4.3 Wirkungsgrade ........................................................................................................ 228
10.4.4 Zusammenfassende Darstellung von Vorlasten ............................................ 245
10 Inhalt
10.5 Beispiel anband einer klassischen Hausmüllverbrennung;
veränderlicher Abfallheizwert ............................................................. .......... 248
11 Derzeitiger Stand der Technik von thermischen
Abfallbehandlungsverfahren ...................................................................... 258
11.1 Restabfall aus Hausmüll, hausmüllähnlichem Gewerbemüll und
Sperrmüll ................................................................................................................. 258
11.1.1 Klassische thermische Restabfallbehandlung ................................................ 258
11.1.2 Hausmüllpyrolyse .................................................................................................. 265
11.2 Überwachungsbedürftige Abfälle (Sonderabfall) ................................. 268
11.3 Klärschlamm ......................................................................................................... 275
12 Entwicklungstendenzen thermischer
Abfallbehandlungsverfahren ...................................................................... 277
12.1 Optimierung des klassischen Verfahrens für Restabfall aus
Hausmüll ................................................................................................................. 278
12.2 Optimierung des klassischen Verfahrens für Sonderabfall ............... 287
12.3 Weiterentwicklung des klassischen Verfahrens für Hausmüll zu
einem V ergasungs-Verbrennungs-Verfahren ......................................... 287
12.4 Wikonex-Verfahren ............................................................................................ 292
12.5 VS-Verfahren ........................................................................................................ 296
12.6 RCP-Verfahren ..................................................................................................... 299
12.7 ECO-Gas-Verfahren (früher auch Öko-Gas-Verfahren) .................... 304
12.8 Schwel-Brenn-Verfahren ................................................................................. 308
12.9 Optimierung für die Hausmüllpyrolyse nach Kapitel 11.1.2 ........... 312
12.10 PYROPLEQ-Verfahren .................................................................................... 312
12.11 Plasmöx-Verfahren ............................................................................................. 316
12.12 PyroMelt-Verfahren ........................................................................................... 320
12.13 Thermoselect-Verfahren .................................................................................. 324
12.14 NOELL-Konversionsverfahren ..................................................................... 329
12.15 Sonstige Verfahren ............................................................................................. 333