DE102008063661A1

DE102008063661A1 - Trocknen von Fest-Flüssig-Mischsystemen

Info

Publication number: DE102008063661A1
Application number: DE200810063661
Authority: DE
Inventors: Hubert Hamm; Erwin Dr. Oser; Norbert Siewert
Original assignee: HAMM OSER SIEWERT GbR; Hamm/oser/siewert GbR (vertretungsberechtigte Gesellschafter Dr Erwin Oser and H Hamm and N Siewert 50670 Koln)
Current assignee: HAMM OSER SIEWERT GbR; Hamm/oser/siewert GbR (vertretungsberechtigte Gesellschafter Dr Erwin Oser and H Hamm and N Siewert 50670 Koln)
Priority date: 2008-12-18
Filing date: 2008-12-18
Publication date: 2010-06-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Trocknung von Fest-Flüssig-Mischsystemen mit hohen zwischenmolekularen Wechselwirkungskräften zwischen Feststoff und Flüssigphase. Von besonderem Interesse sind hierbei Schlämme aus Abwasserbehandlungsanlagen, beispielsweise Klärschlämme. Solche Schlämme können mit mechanischen Verfahren nach dem Stand der Technik nur bis zu einem bestimmten Feststoffanteil entwässert werden. Darüber hinaus wird eine thermische Trocknung erforderlich, die durch hohen Energiebedarf und die Handhabung technisch aufwändig ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Trocknung energieeffizient und produktschonend als Niedertemperatur-Vakuumkontakttrocknung mit Brüdenverdichtung erfolgt, wobei der austretende Brüden im Wärmeaustausch mit dem Heizkreislauf kondensiert wird und das Kondensat gleichzeitig als Waschflüssigkeit für gasförmige Inhaltsstoffe wirkt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Trocknung von feinteiligen Fest-Flüssig-Mischsystemen, bei denen hohe Wechselwirkungskräfte zwischen Feststoffen und Flüssigkeit auftreten. Deshalb wird eine Trennung prinzipiell erschwert und ab einer bestimmten Aufkonzentration der Feststoffe mit bekannten mechanischen Verfahren unmöglich. Die Erfindung sieht dazu ein Verfahren vor, das im Vergleich zum Stand der Technik Verbesserungen hinsichtlich Energiebedarf, Produktschonung durch geringe thermische Belastung sowie eine verfahrensbedingte Reduzierung etwaiger Umwelt belastender Geruchsemissionen aufweist.
Unter Fest-Flüssig-Mischsystemen werden im Sinne dieser Erfindung unterschiedliche Formen von Mischsystemen verstanden, in denen feinteilige organische oder anorganische Feststoffe in Flüssigkeiten, meist überwiegend Wasser, dispergiert sind. Technisch relevante Beispiele für solche Mischsysteme sind beispielsweise Klärschlämme, aber auch feinteilige Dispersionen aus Produktionsprozessen und/oder Filterschlämme aus Abwasserbehandlungsanlagen sowie landwirtschaftlichen Rückstände, wie beispielsweise Gülle oder Gärreste aus Biogasanlagen. Von besonderer technischer und wirtschaftlicher Bedeutung sind wegen der Anfallmengen Klärschlämme, die bei der Abwasserbehandlung in Kläranlagen anfallen. Deshalb wird im Folgenden meist nur von Klärschlämmen gesprochen, die Darstellung gilt jedoch in gleicher Weise für Fest-Flüssig-Mischsysteme mit ähnlichen Zusammensetzungen bzw. Eigenschaften.
Mischsysteme in Form von Schlämmen zeichnen sich dadurch aus, dass zwischen den feinteiligen Feststoffen und der Flüssigkeit vergleichsweise starke zwischenmolekulare Wechselwirkungskräfte wirken. Dadurch wird eine Abtrennung der feinteiligen Feststoffe von der Flüssigphase behindert. Eine solche Abtrennung ist jedoch erwünscht oder sogar notwendig, da viele Rohschlämme zunächst in sehr hohen Verdünnungen anfallen, bei Klärschlämmen etwa zwischen 2 und 5% Anteil Trockensubstanz, so dass die Handhabung, Nachbehandlung, Logistik und/oder Entsorgung technisch sehr aufwändig und damit teuer wäre.
Die Abtrennung der feinteiligen Feststoffe aus Klärschlamm und vergleichbaren Schlämmen erfolgt nach dem Stand der Technik in mehreren Behandlungsschritten: zunächst eine Eindickung mit Hilfe von Flockungshilfsmitteln, anschließend eine mechanische Entwässerung, die üblicherweise mit unterschiedlichen Arten von Pressen, so etwa Filterpressen oder Siebbandpressen, oder mit Hilfe von Zentrifugen durchgeführt wird. Mit diesen mechanischen Trennverfahren erreicht man bei Klärschlämmen Zwischenstufen mit bis zu 30% Anteil Trockensubstanz, sogenannter TS30-Klärschlamm.
Der hohe Wasseranteil im Rohschlamm besteht physikalisch aus unterschiedlichen Fraktionen:

– der Anteil des freien Wassers zwischen den Flocken macht etwa 70–80% des im Klärschlamm enthaltenen Wassers aus.
– das Wasser in Zwischenräumen, die sich während der Flockenbildung zwischen Schlammpartikeln und Flockungsmittel oder zwischen zwei Schlammflocken gebildet haben, dieses sog. Zwischenraumwasser macht etwa 10–20% aus.
– Adsorptionswasser als Kapillar- und Zellwasser in Feststoffteilchen und Flocken; dieser Wasseranteil beträgt etwa 5–10% des ursprünglich im Klärschlamm enthaltenen Wassers.

Physikalisch wird bei der Eindickung des Klärschlamms mit Flockungshilfsmitteln das ungebundene freie Wasser zwischen den gebildeten Flocken mit Hilfe des natürlichen oder eines maschinell erzeugten Schwerefeldes abgetrennt. Bei den Entwässerungsverfahren wird durch hohe physikalische Kräfte wie Druck- und Scherkräfte bzw. durch starke Schwerefelder in Zentrifugen das Zwischenraumwasser abgetrennt. Mit den erwähnten mechanischen Entwässerungsverfahren erreicht man üblicherweise TS-Gehalte von 30% bei Zentrifugen, größere Werte bis 40% mit leistungsfähigen Hochdruckpressen.
Mechanisch entwässerter Klärschlamm enthält jetzt noch Wassermoleküle, die sich an der Oberfläche der Feststoffpartikel, der Flocken und der Flockungsmittel in einer oder mehreren Schichten adsorptiv angelagert haben. Will man dieses Adsorptionswasser noch zusätzlich abtrennen, also den Anteil der Trockensubstanz weiter erhöhen, so kann dies praktisch nur durch Trocknungsverfahren mit Einsatz von thermischer Energie bewirkt werden. Nach dem Stand der Technik werden hierzu unterschiedliche Arten von Trocknungsverfahren bzw. Trocknerbauarten verwendet, so etwa Bandtrockner, Scheibentrockner, Trommeltrockner oder Wirbelschichttrockner. Grundsätzlich unterscheiden sich diese Trocknerbauarten nach dem Verfahrensprinzip der Konvektions- oder Kontakttrocknung. Bei der Kontakttrocknung ist das Trockengut in direktem thermischen Kontakt mit der Heizfläche, bei der Konvektionstrocknung wird das Trockengut mit erwärmter Luft oder heißen Abgasen beaufschlagt, die das Wasser verdunsten und/oder verdampfen und dann forttragen.
Ein besonderes Problem für die Trocknung von Klärschlamm stellt die sog. Leimphase dar, in der der Klärschlamm sehr klebrig wird, wodurch die mechanische Bewegung in Apparaten stark behindert wird und entsprechende technische Gegenmaßnahmen erfordert. Diese Leimphase liegt etwa zwischen 45 und 55% Trockensubstanzanteil.
Der Energiebedarf für die thermische Trocknung von Klärschlämmen ist durch das stark anhaftende Adsorptionswasser sehr hoch. Für Bandtrockner, die sich bei kleineren Anfallmengen durchgesetzt haben, werden von Herstellern spezifische Energieverbräuche von etwa 0,85 kWh pro kg entzogenes Wasser genannt. Für andere Trockner werden noch höhere Energieverbräuche angegeben.
Eine zusätzliche Erschwernis für die thermische Trocknung von Klärschlammen und ähnlichen Mischsystemen liegt in den Geruchsemissionen, die eine sorgfältige Nachbehandlung des verdampften Wassers, dem sog. Brüden, erfordern. Ein Nachteil der Konvektionstrocknung, z. B. in einem Bandtrockner, liegt darin, dass das zu behandelnde Emissionsvolumen aus Brüden und Trocknungsluft sehr groß ist. Die Nachbehandlung umfasst üblicherweise eine Kondensation des Brüden in einem Kondensator und ein Entfernen gasförmiger Geruchsstoffe durch zusätzliche Behandlungsverfahren, wie Waschen, Adsorbieren u. ä., wobei der technische Aufwand mit zunehmenden Emissionsvolumen entsprechend ansteigt.
Die hohen Trocknungskosten für bereits mechanisch entwässerten Klärschlamm, die vor allem in den hohen Energiekosten begründet sind, waren einer der wesentlichen Gründe dafür, dass der „Entsorgungspfad” für Klärschlamm meist nach der mechanischen Entwässerung abgeschlossen wurde. Der entwässerte Klärschlamm wurde üblicherweise auf landwirtschaftliche Flächen ausgebracht. Nachdem diese Ausbringung durch gesetzliche Vorgaben, die in möglichen schädlichen Inhaltsstoffen, wie z. B. Schwermetalle oder pharmazeutische Reststoffe, begründet sind, zunehmend eingeschränkt wird, müssen die Klärschlämme zukünftig thermisch in großen Verbrennungsanlagen entsorgt werden. Wegen des hohen Wasseranteils, bei Klärschlamm TS30 immer noch 70%, wird dabei die Verbrennung so stark behindert, dass die Betreiber dieser Anlagen für diese Entsorgung Gebühren veranschlagen. Zusätzlich ist der Transport dieses Klärschlamms sehr aufwändig und wird bei steigenden Kraftstoffpreisen immer teurer.
Um die benötigten großen Trocknungsenergien kostengünstiger bereitzustellen, werden inzwischen auch Trocknungseinrichtungen mit Solarwärme angeboten, zum Teil in Kombination mit zusätzlicher Niedertemperaturwärme, die als Abwärme aus vorgelagerten Prozessen zur Verfügung gestellt wird.
Aber auch diese Lösungen weisen spezifische Nachteile auf. So ist z. B. wegen der geringen Energiedichte der Sonnenstrahlung der Platzbedarf sehr groß, meist werden hier Trocknungshallen mit Gewächshaus-Charakter vorgeschlagen, in der die Schlämme in geringer Schütthöhe verteilt und periodisch mit geeigneten Geräten umgewendet werden. Abhängig von der verfügbaren Sonneneinstrahlung können hier Trocknungszeiten von bis zu 1 Jahr entstehen, wodurch diese Methode in der Trocknungsleistung begrenzt ist. Zusätzliche Nachteile ergeben sich daraus, dass im Hinblick auf die hygienischen Vorschriften eine bestimmte Mindesttemperatur des Trockengutes, die für eine zuverlässige Abtötung von Keimen und Bakterien erforderlich ist, nicht garantiert werden kann. Dies macht die Handhabung des Trockengutes problematisch, und zur Einhaltung von Vorschriften müssten die dort arbeitenden Mitarbeiter mit entsprechender Schutzbekleidung ausgestattet werden.
Die vorstehenden Erläuterungen begründen zum einen die wachsende Bedeutung einer thermischen Trocknung von entwässertem Klärschlamm, und verdeutlichen andererseits die bestehenden technischen Probleme und Nachteile hinsichtlich Energiebedarf, Handhabung und Emissionsbehandlung.
Die Erfindung hat sich deshalb zum Ziel gesetzt, mehrere der vorgenannten Nachteile des Standes der Technik zu überwinden. Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein erstes vorteilhaftes Merkmal der vorliegenden Erfindung betrifft die Ausgestaltung als „Kontakttrockner”, bei dem das Trockengut mit Heizflächen, die über einen Heizkreislauf erwärmt werden, in direktem Kontakt steht. Damit ist die bei der Konvektionstrocknung gegebene Gefahr der Staubbildung im Verlaufe der Trocknung ausgeschlossen. Solche Stäube von getrocknetem Schlamm im Reaktor haben in manchen Trocknerbauarten bereits sogar zu Explosionen geführt.
Insbesondere vermindert die vorliegende Erfindung den spezifischen Energiebedarf durch eine energieeffiziente Prozessführung. Dazu sieht die Erfindung eine Trocknung unter vermindertem Druck vor, wodurch die Verdampfung bei einer niedrigeren Temperatur als der normalen Siedetemperatur, bei Wasser 100°C, in Gang gesetzt wird. Der Unterdruck wird mit Hilfe einer dazu geeigneten Ansaugvorrichtung herbeigeführt, mit der nach der anfänglichen Absaugung von enthaltenen Inertgasen aus dem nach außen abgedichteten Trocknungsreaktor anschließend nur noch der aus dem Trockengut verdampfende Brüden angesaugt wird.
Zwei wesentliche Vorteile dieser Verdampfung bei vermindertem Druck, also verminderter Siedetemperatur, sind zum einen die geringere thermische Belastung von Inhaltsstoffen mit Produktcharakter, verbunden mit geringeren Gasemissionen, sowie zum anderen die Möglichkeit, dass damit auch solche Wärmeenergie für die Trocknung verwendet werden kann, die als Niedertemperatur-Abwärme im Bereich von 100°C bis etwa 120°C aus energetischen oder industriellen Umwandlungsprozessen anfällt. Von Bedeutung ist aber in diesem Zusammenhang der Hinweis, dass mit Verdampfungstemperaturen zwischen etwa 80 bis 90°C die hygienischen Vorschriften sicher eingehalten werden.
Ein weiteres wichtiges Merkmal der Erfindung ist die energieeffiziente Bereitstellung der für die Verdampfung benötigten Verdampfungsenergie durch eine Rückführung der im abgesaugten Brüden enthaltenen Wärmeenergie. Dazu wird der Brüden in der Ansaugvorrichtung verdichtet und dabei erhitzt, wobei die Kondensationstemperatur des Brüden, der dem Siedepunkt der Flüssigkeit bei dem erhöhten Druck entspricht, erhöht wird und zwar auf ein Temperaturniveau, das zum einen oberhalb der Verdampfungstemperatur in dem unter vermindertem Druck stehenden Trocknungsreaktor liegt, und darüber hinaus bei den erfindungsgemäßen Prozessparametern oberhalb der Vorlauftemperatur des Heizkreislaufes für die Kontakterwärmung des Trockengutes. Indem die Kondensation des verdichteten Brüden bei einer derart erhöhten Temperatur erfolgt, kann die Kondensationsenergie auf den Heizkreislauf übertragen und damit erneut für die Verdampfung von frischem Brüden genutzt werden. Da Verdampfungs- und Kondensationstemperatur praktisch gleich groß sind, gelingt es damit, den spezifischen Energiebedarf für die Verdampfung von 1 kg Wasser drastisch zu senken. Die Energierückführung wird angetrieben durch die Verdichtungsleistung der verwendeten Ansaugvorrichtung, so dass zudem thermische Verluste im Kreisprozess weitgehend abgedeckt werden. Die erfindungsgemäße Energierückführung kann mit der Wirkung einer Wärmepumpe verglichen werden.
Die vorliegende Erfindung sieht in einer vorteilhaften Ausführung vor, zusätzlich in den Heizkreislauf für die Heizflächen eine über einen Temperaturfühler angesteuerte Heiztherme, angetrieben durch Erdgas, Heizöl oder auch aus einem Wärmespeicher, zu integrieren. Diese Nachheizvorrichtung soll immer dann anspringen, sobald der Temperaturfühler im Vorlauf des Heizkreislaufes die Unterschreitung einer vorgegebenen Mindesttemperatur ermittelt.
Die beschriebene Rückführung der Energie durch Kondensation des verdichteten Brüden mit Wärmeübertragung auf den Heizkreislauf hat erfindungsgemäß den weiteren Vorteil, dass nach Einfahren der Anlage im stationären Prozess praktisch keine gasförmigen Emissionen auftreten, da der Trocknungsreaktor luftdicht nach außen abgedichtet ist. Bei der Kondensation des Brüden werden zudem die im Trocknungsgut enthaltenen geruchsauslösenden gasförmigen Bestandteile verfahrensbedingt „ausgewaschen”, indem sie im Kondensat gebunden werden. Das Kondensat fällt mit einer Temperatur von nahezu 100°C an. Dieses Kondensat kann anschließend ohne weitere Behandlung nach einer möglichen vorteilhaften zusätzlichen Nutzung der darin noch enthaltenen fühlbaren Wärme, wieder zurück in die Kläranlage geleitet werden bzw. bei anderen Schlämmen wieder der Prozessflüssigkeit hinzugefügt werden.
In einer vorteilhaften Ausführung als Kontakttrockner ist der Trocknungsreaktor mit mehreren übereinander angeordneten, jeweils längsversetzten und über einen Heizungskreislauf beheizten Platten ausgestattet, über die das Trockengut mit etagenweise wechselnder Bewegungsrichtung mittels Förderelementen in der Form von Mitnehmern oder Rakeln, die über flexible Übertragungselemente, beispielsweise Ketten oder Riemen angetrieben werden, bewegt wird. In einer bevorzugten Ausführung wird das Trockengut mittels eines flexiblen, perforierten Förderbandes, wobei die Stege der Perforation direkt als Mitnehmerelemente dienen, bewegt. Das Trockengut Klärschlamm wird als etwa 2 bis 3 cm, bevorzugt 1 bis 2 cm hohe Schicht mit einer von der Trocknungsleistung abhängigen Breite von bis zu 3 m, bevorzugt 1 bis 2 m, auf das oberste Förderband aufgebracht und von den Heizplatten aufgeheizt. Sobald die Temperatur des Trockenguts die Siedetemperatur des im Reaktor eingestellten Druckniveaus übersteigt, tritt eine Verdampfung des Wasseranteils ein, der als Brüden austritt. Am Ende jeweils einer Heizplatte fällt das Trockengut auf die nächstfolgende Heizplatte, über die es in entgegengesetzter Richtung bewegt wird.
Die Gesamtfläche der im Reaktorraum angeordneten Heizplatten wird in Abhängigkeit der geforderten Trocknungsleistung sowie der bei den eingestellten Parametern resultierenden Wärmeübertragungsraten ausgelegt. Ein weiterer Vorteil der Kombination von Vakuum, Kontakttrocknung und praktisch ruhendem Trockengut besteht darin, dass die für die Handhabung so schwierige klebrige „Leimphase” elegant überwunden wird, indem die kritische Feststoffkonzentration mit ruhendem Trockengut praktisch „durchfahren” wird.
In einer vorteilhaften Ausführung des Trockners kann über eine Geschwindigkeitssteuerung der Fördereinrichtung die Verweilzeit im Trocknungsreaktor variabel gestaltet und je nach gewünschtem Trocknungsgrad eingestellt werden. Die Kontakt-Heizfläche hat eine mittlere Temperatur von etwa 90°C.
Die Vorlauftemperatur des Heißwasserkreislaufes von etwa 93–96° C wird über die temperaturgesteuerte Nachheizvorrichtung und dem damit kombinierten Brüdenwärmetauscher eingestellt. Der Rücklauf des Heizkreislaufes hat eine Temperatur von beispielsweise 85–88°C, abhängig von der umgewälzten Wassermenge und der gewünschten Heizleistung.
Der Brüdenverdichter erzeugt einen konstanten Unterdruck zwischen 500 und 800 mbar, bevorzugt 500 und 700 mbar, Absolutdruck. Über den mit dem Brüdenverdichter erzeugten Unterdruck kann die Siedetemperatur des Brüden variiert werden, um beispielsweise die Verfahrensparameter einer Beheizung der Kontaktflächen aus sonstigen verfügbaren Wärmequellen anzupassen. Die Prozessparameter des Brüdenverdichters sind unter Berücksichtigung der thermischen Leistungdaten dahingehend zu optimieren, dass die elektrische Antriebsleistung für den Verdichter, der sich aus dem Fördervolumen und dem Verdichtungsverhältnis ergibt, aus Kostengründen gering gehalten wird.
Die Abdichtung des Vakuums wird in einer ersten möglichen Ausführung durch dicht schließende Zuführschleusen realisiert.
In einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführung übernimmt das Trockengut selbst die Abdichtung des Vakuums nach außen, indem die Aufgabestation als schmal ausgezogener Aufgabespalt die Entnahmestation als druckfestes Auslassrohr ausgebildet werden, die bei Aufgabe und Entnahme jeweils so mit Schlamm unter hohem Pressdruck gefüllt werden, dass eine Abdichtung nach außen erreicht wird. Die Aufgabestation wird dazu außerhalb des Reaktors, die Entnahmestation innerhalb des Reaktors angeordnet. Die Aufgabe- und Entnahmestation sind ähnlich aufgebaut und bestehen jeweils aus einer Dosierschnecke und zwei zugeordneten gegenläufigen Verteilschnecken, mit denen das Trockengut jeweils mit hohem Druck in den Aufgabe- und Auslasstrichter gepresst wird.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Trocknungsanlage liegt in der Tatsache, dass für die Kondensation des Brüden keine eigenständige Kühleinrichtung bzw. Kühlturm erforderlich wird. Dies ist dann besonders günstig, wenn am Standort keine geeigneten Kühlmedien zur Verfügung stehen. Vor allem aber geht die Kondensationsenergie nicht an die Umgebung verloren, sondern wird weiter im Prozess genutzt.
Erfindungsgemäß wird zur technischen Umsetzung des Verfahrens eine Anlage zur Trocknung von Fest-Flüssig-Mischsystemen, insbesondere Klärschlämmen, zur Verfügung gestellt, die folgende Bauteile umfasst:

a) ein Trocknungsreaktor, in dem Trockengut getrocknet wird,
b) im Trocknungsreaktor übereinander angeordnete, längs versetzte Heizplatten, über die das Trockengut in jeweils wechselnder Richtung im direkten Kontakt mit Hilfe von geeigneten Fördereinrichtungen geführt wird,
c) eine Aufgabeeinheit außerhalb des Trocknungsreaktors, bestehend aus einer Dosierschnecke und einer nachgeordneten gegenläufigen Verteilschnecke, mit der das Aufgabegut in einen schlitzförmigen, schmal ausgezogenen breiten Aufgabespalt gepresst wird,
d) eine Ausfördereinheit innerhalb des Trocknungsreaktors, bestehend aus zwei gegenläufigen Verteilschnecken und einer Dosierschnecke, mit der der getrocknete Schlamm in ein Auslassrohr gepresst wird.
e) eine Vakuumpumpe, ausgebildet als Brüderverdichter, mit dem der aus dem Trocknungsgut austretende Brüden abgesaugt, verdichtet und dabei erhitzt wird,
f) ein Heizkreislauf zur Beheizung der Heizplatten, bestehend aus einem Wärmeaustauscher, in dem der verdichtete Brüden durch Wärmeübertragung seine Kondensationsenergie überträgt sowie eine Nachheizvorrichtung, die über einen Temperaturfühler gesteuert wird, um eine vorgegebene Vorlauftemperatur für den Heizkreislauf sicherzustellen,
g) eine Pumpe im Heizkreislauf, mit der das aufgeheizte Wasser durch die Heizplatten im Trocknungsraum gedrückt wird,

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der in Bezugnahme auf 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Einzelnen beschrieben wird. Dabei können die in den Ansprüchen und der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
Es zeigt 1
eine Anlage zur Trocknung von Klärschlamm mit Vakuum-Kontakttrocknung und mechanischer Brüdenverdichtung.
In den Trocknungsreaktor (1), der mit Hilfe einer Vakuumpumpe (4) evakuiert wird, wird über eine Aufgabestation (7) zu trocknender Klärschlamm mit einem Trockensubstanzgehalt TS30 aufgegeben. In der Aufgabestation (7) wird der Schlamm in einen Einfülltrichter eingefüllt und mit einer senkrecht stehenden Förderschnecke verdichtet und auf zwei gegenläufig drehende Verteilschnecken gefördert, mit der der Klärschlamm auf die Breite der im Trocknungsreaktor (1) angeordneten Heizplatten (2) verteilt und so in den schmal ausgezogenen Einlassspalt gepresst wird, dass sich vor dem Austritt aus der Aufgabestation (7) dicht gepresster Klärschlamm aufbaut, wodurch die Abdichtung des im Trocknungsreaktor (1) eingestellten Vakuums durch den gepressten Klärschlamm selbst erfolgt. Aufgrund des wirkenden Anpressdrucks tritt der Klärschlamm aus der Aufgabestation (7) durch einen schmalen Auslassspalt als dünne Schicht mit einer Dicke von 1–2 cm aus. Diese Schicht wird auf den obersten der im Trocknungsreaktor (1) angebrachten Heizplatten (2) abgelegt und mit Hilfe einer kettengetriebenen Fördereinrichtung (3), die mit Mitnehmern und Abstreifern versehen ist, über die Heizplatten (2) geführt. Die Heizplatten werden mittels eines Heizkreislaufes (6) beheizt, wobei die Vorlauftemperatur mit etwa 95°C deutlich über der Siedetemperatur des im Schlamm gebundenen Wassers liegt, die abhängig von dem mit der Vakuumpumpe (4) eingestellten Unterdruck im Bereich von 70° bis 86°C, bevorzugt 80° bis 84°C, beträgt.
Die im Trocknungsreaktor (1) übereinander angeordneten Heizplatten (2) sind längs gegeneinander versetzt, so dass am Ende je einer Heizplatte der zu trocknende Klärschlamm auf die nächst tiefere Platte fällt und dort von einer weiteren kettenangetriebenen Fördereinrichtung (3) in die Gegenrichtung gefördert wird. Auf diese Weise wird der Klärschlamm von oben nach unten über sämtliche Heizplatten (2) gefördert, wobei aufgrund der vom Heizkreislauf (6) beheizten Platten der Klärschlamm ständig im direkten Kontakt so weit aufgeheizt wird, dass der Wasseranteil als Brüden verdampft. Der sich bildende Brüden wird sofort von der Vakuumpumpe (4) abgesaugt, verdichtet und dabei auf eine Temperatur oberhalb der Vorlauftemperatur des Heizkreislaufs (6) erhitzt. Dadurch ist es möglich, den Brüden in einem Wärmetauscher (5), der im Heizkreislauf (6) angeordnet ist, zu kondensieren, wobei der Brüden seine Kondensationswärme auf den Heizkreislauf (6) überträgt. Der so erwärmte Brüden wird mit Hilfe der Umwälzpumpe (9) als Heizungsvorlauf zurück in den Trocknungsreaktor (1) zurückgefördert, wodurch die im Brüden enthaltene Kondensationswärme erneut zur Verdampfung von frischem Brüden genutzt werden kann.
Im Vorlauf des Heizkreislaufs (6) ist hinter der Pumpe (9) eine Nachheizvorrichtung in Form einer Gastherme (10) angeordnet, die über einen Temperaturfühler am Eintritt des Heizungsvorlaufs in den Trocknungsreaktor (1) angesteuert wird. Der Temperaturfühler setzt die Nachheizvorrichtung immer dann in Betrieb, sobald die Temperatur des Heizungsvorlaufes die vorgegebene Sollltemperatur, hier 95°C, unterschreitet.
Der getrocknete Klärschlamm fällt nach Abschluss der letzten Heizplatte (2) in eine im Inneren des Trocknungsreaktors angeordnete Entladestation (8). Diese weist einen ähnlichen Aufbau wie die Aufgabestation auf und besteht aus zwei über die Breite der Heizplatte (2) angeordneten Schnecken, mit der der auf einen Trockensubstanzgehalt von etwa TS70 getrocknete Klärschlamm zunächst zusammengeführt wird und anschließend einer Förderschnecke zugeführt wird. Mit dieser Förderschnecke wird der getrocknete Schlamm dann erneut so weit verdichtet, dass sich im Auslasskanal ein dichter Pfropfen bildet, der, ähnlich wie bei der Aufgabestation, den Trocknungsreaktor (1) vakuumdicht gegen die Umgebung abdichtet. Der schließlich aus dem Auslasskanal austretende getrocknete Klärschlamm fällt in einen Auffangbehälter (12) oder eine Auffangstation einer nachgeordneten Behandlungsstufe, bspw. eine Brikettierung.
Der im Wärmeaustauscher (5) kondensierte Brüden läuft als Kondensat in einen Kondensatsammelbehälter (13). Aus diesem Sammelbehälter kann das Kondensat, nach Möglichkeit unter Nutzung der im heißen Kondensat gespeicherten Wärme, zurück in das Klärbecken oder eine andere Nachbehandlungsstufe geleitet werden.

1: Trocknungsreaktor
2: Heizplatte(n)
3: Fördereinrichtung
4: Vakuumpumpe/Brüdenverdichter
5: Wärmeaustauscher
6: Heizkreislauf
7: Aufgabestation
8: Entladestation
9: Umwälzpumpe Heizkreislauf
10: Nachheizvorrichtung
11: Temperaturfühler
12: Auffangbehälter
13: Kondensatsammelbehälter

Claims

Verfahren zur thermischen Trocknung von Fest-Flüssig-Mischsystemen aus feinteiligen Feststoffen und Flüssigkeiten sowie Hilfsmitteln und Zwischenprodukten aus Vorbehandlungsschritten, wie zum Beispiel Klärschlämme, Filterschlämme, Neutralisationsschlämme, molekulardisperse Mischsysteme, feinteilige Dispersionen u. ä. dadurch gekennzeichnet, dass die Trocknung in einem teilevakuierten Trocknungsreaktor (1) erfolgt, wobei das Trockengut in direktem Kontakt mittels von flexiblen Übertragungselementen angetriebenen Fördereinrichtungen (3) über längs versetzte, übereinander angeordnete Heizplatten (2) beheizt wird, wobei das Trockengut am Ende einer Heizplatte auf die darunter liegende Platte fällt und in entgegengesetzter Richtung durch den Reaktorraum geführt wird, wobei der austretende Flüssigkeitsdampf als Brüden von einer Vakuumpumpe (4) angesaugt, verdichtet und über die Verdampfungstemperatur hinaus erhitzt wird, so dass der verdichtete Brüden seine Kondensationsenergie in einem Wärmetauscher (5) an den Heizkreislauf (6) für die Heizplatten (2) überträgt, wobei der kondensierende Brüden als Waschflüssigkeit aus dem Trockengut ausgetretene Geruchsstoffe aufnimmt.
Verfahren nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass das Aufgabegut mittels einer außen am Trocknungsreaktor angebrachten Aufgabestation (7), bestehend aus einer senkrechten Förderschnecke und zwei gegenläufigen Verteilschnecken auf die Breite der Heizplatten ausgebreitet wird und über einen ebenso breiten, schmalen Einlasskanal von einer Höhe von 2 bis 3 cm, bevorzugt 1 bis 2 cm, in den Trocknungsreaktor gepresst wird.
Verfahren nach Anspruch 1. und 2., dadurch gekennzeichnet, dass die Aufgabestation (7) vakuumdicht an der Außenwand des Reaktors angebracht ist und das eingepresste Trockengut selbst die Abdichtung des Reaktors (2) nach außen sicherstellt.
Verfahren nach Anspruch 2. und 3., dadurch gekennzeichnet, dass das Trockengut in einer etwa 2 bis 3 cm, bevorzugt 1 bis 2 cm hohen Schicht auf die oberste von mehreren übereinanderliegenden, jeweils längs versetzten, von einem Heizkreislauf (6) erwärmten Heizplatten (2) aufgetragen wird,
Verfahren nach Anspruch 4., dadurch gekennzeichnet, dass das Trockengut mittels einer von flexiblen Übertragungselementen angetriebenen Fördereinrichtung (3) über die Heizplatte (2) bewegt wird, wobei am Ende einer beheizten Heizplatte (2) jeweils auf die nächst darunter liegende Heizplatte fällt und von der Fördereinrichtung in die entgegengesetzte Richtung durch den Reaktor geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1. und 2., dadurch gekennzeichnet, dass das Trockengut am Ende der Trocknung über eine im Inneren des Reaktors angeordnete Entladestation (8), in der das Trockengut von zwei gegenläufigen Schnecken zusammengeführt, dann in eine Förderschnecke gefördert wird und dort so zusammengepresst wird, dass das Trockengut selbst bei der Ausförderung den Auslasskanal vakuumdicht nach außen abschließt.
Verfahren nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass der Trocknungsreaktor (1) mittels einer Vakuumpumpe (4) evakuiert wird.
Verfahren nach Anspruch 7., dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumpumpe (4) ein Drehkolben- oder Wälzkolbengebläse, auch Roots-Gebläse genannt, ist,
Verfahren nach Anspruch 7., dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumpumpe (4) ein Schraubenverdichter oder eine Flüssigkreisringpumpe ist,
Verfahren nach Anspruch 7., dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumpumpe (4) eine Turbine ist,
Verfahren nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass im Heizkreislauf (6) eine Pumpe (9) zur Förderung des Heizmediums angeordnet ist,
Verfahren nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass im Heizkreislauf (6) hinter dem Brüdenwärmeaustauscher (5) eine zusätzliche Nachheizvorrichtung (10) angeordnet ist, die über einen Temperaturfühler (11) gesteuert wird, um eine vorgegebene Vorlauftemperatur sicherzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass die Nachheizvorrichtung (10) eine Gas- oder Heizöl-Therme oder ein Wärmespeicher ist.
Verfahren nach Anspruch 5., dadurch gekennzeichnet, dass die flexiblen Übertragungselemente der Fördereinrichtung (3) Ketten, Zahnriemen und/oder Keilriemen aus Metall, Gummi oder Kunststoff sind oder von den Stegen eines perforierten angetriebenen Förderbandes gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 5., dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinrichtung (3) aus Elementen in Form von Mitnehmern, Abstreifern und/oder Rakeln gebildet wird.
Anlage zur thermischen Trocknung von Fest-Flüssig-Mischsystemen, Klärschlämme, Schlämme aus industriellen Abwasserbehandlungsanlagen, feinteilige Dispersionen und landwirtschaftliche Produkte u. ä., dadurch gekennzeichnet, dass sie folgende Komponenten umfasst: a) einen Trocknungsreaktor (1), in dem Trockengut getrocknet wird, b) im Trocknungsreaktor übereinander angeordnete, längs versetzte Heizplatten (2), über die das Trockengut in jeweils wechselnder Richtung im direkten Kontakt mit Hilfe von geeigneten Fördereinrichtungen geführt wird, c) eine Aufgabestation (7) außerhalb des Trocknungsreaktors (1), bestehend aus einer Dosierschnecke und einer nachgeordneten gegenläufigen Verteilschnecke, mit der das Aufgabegut in einen schlitzförmigen, schmal ausgezogenen breiten Aufgabespalt gepresst wird, d) eine Entladestation (8) innerhalb des Trocknungsreaktors (1), bestehend aus zwei gegenläufigen Verteilschnecken und einer Dosierschnecke, mit der der getrocknete Schlamm in ein Auslassrohr gepresst wird. e) eine Vakuumpumpe (4), ausgebildet als Brüdenverdichter, mit dem der aus dem Trocknungsgut austretende Brüden abgesaugt, verdichtet und dabei erhitzt wird, f) ein Heizkreislauf (6) zur Beheizung der Heizplatten, bestehend aus einem Wärmeaustauscher (5), in dem der verdichtete Brüden durch Wärmeübertragung seine Kondensationsenergie überträgt sowie eine Nachheizvorrichtung (10), die über einen Temperaturfühler (11) gesteuert wird, um eine vorgegebene Vorlauftemperatur für den Heizkreislauf sicherzustellen, g) eine Pumpe (9) im Heizkreislauf, mit der das aufgeheizte Wasser durch die Heizplatten (2) im Trocknungsreaktor (1) gedrückt wird.
Anlage nach Anspruch 15., die nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1. bis 14. betreibbar ist.