Abfallverbrennung - Verfahrenstechniken
Die Anlagenbereiche gliedern sich entsprechend ihrer zeitlichen Abfolge in:
a) Abfallübernahme und Vorbehandlung
b) Feuerung und Abwärmeverwertung
c) Behandlung der festen Rückstände
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| Ein LKW der NUA vor dem Gelände der Hamburger Gruppe in Seebenstein. |
Die angelieferten Abfälle werden direkt vom LKW oder vom Container der Bahn übernommen und in einen Müllbunker entladen.
Vom Müllbunker ausgehend wird meist mittels einer Krananlage der Abfall in die Müllschurre, ein Rohr das zum tieferliegenden Feuerungsraum führt, tranportiert. Am Ende der Schurre befindet sich ein Zuteiler, der den Müll portionsweise auf den Feuerungsrost befördert.
b) Feuerung und Abwärmeverwertung
Der Feuerungprozess gliedert sich in Trocknung, Entgasung, Vergasung und feststoff- und gasseitiger Ausbrand. Bei der Wirbelschichtfeuerung erfolgen jene Phasen spontan, bei Rostverfahren jedoch langsam und mit Verbrennungsluft steuerbar.
Trocknung, Entgasung, Vergasung und feststoff- und gasseitiger Ausbrand finden im Feuerungsraum und im Nebenfeuerungsraum statt, sind nicht zeitlich scharf voneinander getrennt und können bei modernen Anlagen gut gesteuert werden. Während der Trocknung wird aus dem Abfall Wasser in Dampfform (Brüden) herausgetrieben. Bei der Entgasung wird die Temperatur etwas erhöht, um leicht flüchtige Stoffe aus der Müllmasse auszutreiben.
Während der Vergasung kommt es zu Oxidationsvorgängen. Dabei entstehen (bei ca. 600°C und mehr) viele teils toxische Zwischenprodukte, die abhängig von Aufenthaltdauer und Temperatur im Feuerungsraum zerstört werden.
"Als Nachteil muss jedoch die unkontrollierte
Erzeugung von Reaktionsprodukten in Kauf genommen werden. Vor
allem im Grenzbereich der beiden Verfahrensschritte "Trocknen"
und "Verbrennen" enstehen zum Teil toxische Kohlenstoffverbindungen,
die nur bei entsprechender Verweilzeit im darüber liegenden
Brennkammerraum vollständig zerstört werden können.
Ähnliches gilt im Grenzbereich "Verbrennen"-"Kühlen".
Die hier entstehende Schlacke ist mehr oder weniger ein Zufallsprodukt,
welches nebst der Prozesssteuerung auch von der Beschaffenheit
des Aufgabematerials abhängig ist. In ihrer Zusammensetzung
ist sie ähnlich wie das Aufgabeprodukt sehr heterogen und
enthält eine Vielzahl von Komponenten, die miteinander nicht
in thermodynamischem Gleichgewicht stehen."
Lechner Peter (Hg.). Kommunale
Abfallversorgung. Facultas Verlags- und Buchhandels AG, Wien.
2004, S203
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| Einer der Schlote am Standort Pitten-Seebenstein |
Um einen einwandfreien Ausbrand sicherzustellen muss ein homogener Brennstoff zur Verfügung stehen. Für einen sicheren Ausbrand der brennbaren Gase sind außerdem Temperaturen von mindestens 800°C nötig.
Um die Anlage anzufahren wird mit einem Stützbrenner, meist mit Erdgas betrieben, der Feuerungsraum vorgeheizt. Der Abfall darf erst dann in den Feuerungsraum transportiert werden, wenn eine Betriebstemperatur von 800°C erreicht ist.
Die Temperatur während des Ausbrandes des Abfalles bestimmt unter anderem ob Schadstoffe zerstört werden können oder nicht.
Temperaturbereich für Rostfeuerungen:
Nach oben hin wird der Temperaturbereich durch den Erweichungspunkt
für Asche und Schlacke begrenzt, nach unten hin durch die
Mindestverbrennungstemperatur.
Ist die Mindesttemperatur unterschritten (unter 850°C), dann ist der vollständige Ausbrand nicht gewährleistet, beim Überschreiten (etwa ab 1200°C) des Temperaturbereiches kann es zu betrieblichen Problemen wie Anbackungen im Feuerungsraum und den nachgeschalteten Kesselheizflächen kommen.
Die Ausbrandgeschwindigkeit am Rost wird durch Die Schüring und die Primärluftzufuhr gerregelt. Der Zweck der Schürung ist neue Abrennflächen freizulegen. Die vorgewärmte Primärluft durchströmt den Rost wobei unverbrannte Gase (Kohlenmonoxid und molekulare Wasserstoff) entstehen, die in der Brennkammer mittels Zufuhr von Sekundärluft nachverbrannt werden.
Im Nachverbrennungsraum ist eine Mindesttemperatur von 1200°C bei einer Aufenhaltszeit von zwei Sekunden erforderlich, wenn die Bildung von Dioxinen und Furanen zu erwarten ist.
Abwärmeverwertung
Die Hamburger Mosburger Dunapack Unternehmensgruppe plant eine (von der EU oftmals geförderte) Kraft-Wärme-Kopplung, d.h. mit der durch die Verbrennung enstandene Energie wird elektrische Energie gewonnen. Dies geschieht in einem Wasser-Dampf-Kreislauf, der aus einer Wasseraufbereitungsanlage, einem Kondensatsystem und einer Turbine mit Kühlsystem und Kühl- oder Wärmeauskopplungssystem besteht.
c) Behandlung
der festen Rückstände
Die festen Rückstände bei thermischen Verfahren sind
Schlacke
Flugstaub und
Rückstände aus der Rauchgasreinigung.
Die Zusammensetzung der Abfälle, deren Ausbrand und die zudosierten Chemikalien bestimmen die Masse der festen Verbrennungsrückstände.
Die örtliche Anreicherung von Schadstoffen in den festen Rückständen ergibt sich unter anderem auch aus ihren unterschiedlichen Siedepunkten während des Verbrennungsprozesses.
Bei der altmodischen Dreh- und Rostfeuerungen fallen etwa 90% der festen Rückstände als Schlacke, der Rest als Flugstaub an.
Bei der ebenfalls schon technische überholten Wirbelschichtfeuerung ist der Hauptteil der festen Rückstände Flugstaub.
Schlacke, setzt sich aus den nicht brennbaren Abfällen und der Asche der verbrannten Abfälle zusammen, welche beim Verbrennen nicht über den Rauchgasweg ausgetragen werden. In der Schlacke reichern sich Salze, Restorganik und Schwermetalle an.
Schlacke fällt bei der Rostfeuerung beim Rostdurchfall und Rostabwurf an und bei der Wirbelschichtfeuerung als Bettasche.
Der Schlackenanfall beträgt ca. 25 Gewichts-% vom Müllinput.
Flugstaub oder Flugasche genannt, wird zusammen mit dem Rauchgasstrom aus dem Feuerungsraum ausgetragen.
Leichtflüchtige Elemente wie Chlor und Schwefel werden auch im Rohgasstrom mittransportiert und sammeln sich im Filterstaub und in den Rückständen aus der Rauchgasreinigung.
Flugstaub fällt als Kesselasche, Elektrofilterstaub oder Gewebefiltersstaub an. Die Filterstäube können nicht ohne Vorbehandlung deponiert werden. Bereits bei Lagerung und Transport müssen Staubemissionen unbedingt vermieden werden. PCDD und PCDF-hältige Stäube können zB. über den Luftpfad freigesetzt werden.
Um Stäube im Rohgas abzuscheiden werden Elektrofilter (elektrostatische Abscheider) oder Gewebefilter verwendet. Vor den Filtern kann man Zyklone (Fliehkraftabscheider) einbauen, die große Partikel abscheiden. Nach derzeitigen Stand ist von der Hamburger Unternehmensgruppe der Einbau von Gewebefiltern geplant. Dabei wird das Rohgas durch einen Filter meist aus Kunstfaser geleitet, wobei der Staub am Filter sowie am sich bildenden Filterkuchen hängenbleibt. Der Filter wird bei Bedarf mittels Druckluft gereinigt.
Das Rohgas bei thermischer Abfallbehandlung enthält 1500-2000mg Flugstaub /Nm3.
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| Einer der Schlote am Standort Pitten - Seebenstein vor dem extrem belasteten Hang des Weißjackls |
Primärmaßnahmen:
Primärmaßnahmen zur Beeinflussung der Emissionen in den Rauchgasen bzgl. Kohlenmonoxid, Stickoxiden, organischen Verbindungen und Staub (Emissionen wie Schwermetalle, Schwefel- und Halogenverbindungen sind hier nicht beeinflussbar) sind unter anderen die Dimensionierung und Geometrie des Feuerraumes, Dosierung des Brennstoffs, Verteilung und Vorwärmung der Verbrennungsluft, Sekundärluftzufuhr, und Regelung der Feuerung.
Eine Primärmaßnahme zur Stickoxid-Reduktion
ist die gestufte Verbrennung (spezielle Luftzufuhrtechnik in der
ersten Verbrennungszone).
Stickoxide (NOx) gelten in Teilen der wissenschaftlichen Literatur
als Vorläufersubstanz von Ozon.
Primärmaßnahmen zur Reduktion von Dioxinen und Furanen: Dioxine und Furane entstehen unter anderem aus halogenierten Verbindungen wie etwa PVC und aus chlorierten Vorläufersubstanzen wie etwa PCB´s oder Pentachlorphenole, bei einer Temperatur von 300-800°C. Ebenfalls bilden sie sich während der Abkühlung der Rauchgase aus nicht chlorierten organischen Verbindungen - die DeNovo-Synthese.
Während der Feuerung kann ein guter Ausbrand und verringerte Luftzufuhr eine Primärmaßnahme zur Reduktion von Dioxinen und Furanen sein. Jedoch steigt bei verringerter Luftzufuhr wiederrum die Emission von Kohlenmonoxid und organischem Kohlenstoff.
Eine Verbrennungstemperatur von über 850°C, eine Verweilzeit von über 2 Sekunden und eine hohe Turbulenz der Rauchgase bei gutem Sauerstoffgehalt kann den Ausbrand verbessern.
Eine Methode um die DeNovo-Synthese zu verhindern ist das Quenchen der Rauchgase. Dabei werden die Rauchgase mittels Eindüsen von Wasser schockartig auf Sättigungstemperatur abgekühlt. Die Schadstoffe gehen dabei teilweise ins Wasser über, die Probleme werden also verlagert.
Verfahren zur Rauchgasreinigung:
Es existieren verschiedene Verfahren zur Rauchgasreinigung, die untereinander kombiniert werden können zB.:
trockene Rauchgasreinigung, nasse Rauchgasreinigung, katalytische Verfahren, selektive nicht-katalytische Reduktion (SNCR-Verfahren), katalytische NOx-Reduktion (SCR-Verfahren)
Nach derzeitigen Stand ist von Hamburger
Unternehmensgruppe der Einbau einer trockenen Rauchgasreinigung
geplant.
Anm.: Seit 2.3.2006 ist bekannt, dass die Hamburger Gruppe eine
halbtrockene Rauchgasreinigung projektiert.
Beim trockenen System werden Kalk (CaO), Kalkstein und Aktivkoks dem Rauchgas zugeführt um Salzsäure (HCl), Hydrogenfluorid (HF), Schwefetrioxid (SO3), Schwermetalle, Dioxine (PCDD), Furane (PCDF) und Staub abzuscheiden. Dabei verbleibt ein trockener, fester Rückstand. Dieser Rückstand enthält unter anderem Quecksilber, Dioxine, Furane und Schwefeldioxid (SO2).
Beim Nassen System werden in zwei Phasen Waschlösungen dem Rauchgas hinzugefügt und bilden einen sogenannten Neutralisationsschlamm. Die erste Phase nennt man den "Sauren" Wäscher bei dem Salzsäure, Hydrogenfluorid und Quecksilberverbindungen absorbiert werden sollen. Der Zweite Wäscher soll mittels eingedüsten Kalkmilchtröpfchen Schwefeldioxid (SO2) binden.
Zink und Blei befinden sich in den Rauchgasreinigungsrückständen wie auch in der Schlacke.
Rückstände aus der Rauchgasreinigung fallen bei der trocknenen Rauchgasreinigung als Rauchgasreinigungsprodukt und bei der nassen Rauchgasreinigung als Neutralisationsschlamm an.
Emissionsreduktion von Stickoxiden (NOx)
Um die Stickstoffoxidemission zu vermindern sind folgende Sekundärmassnahmen üblich:
- Einsatz eines Reduktionmittel (NH3)
- nasschemische Abscheidung
Das Verfahren zur nasschemischen Abscheidung wird aus Kostengründen kaum angewendet.
Wird als Reduktionsmittel Ammoniak (NH3)
eingesetzt dann nennt man es SCNR-Verfahren (Selectiv
Non Catatlytic Reduction /Nichtkatalytische
NOx-Reduktion).
Der Ammoniak wird in den Rauchgasstrom eingedüst.
Er reagiert dabei mit den Stickoxiden zu Stickstoff und Wasserdampf.
Jedoch verbrennt bei diesem Verfahren ein unerwünschter Teil
des Ammoniaks zu NOx. Es kann auch zur Bildung von Lachgas kommen.
Wird als Reduktionsmittel ein Katalysator
eingesetzt dann nennt man es SCR-Verfahren (Selective Catatlytic
Reduction/Katalytische NOx-Reduktion).Das heisse Rauchgas strömt
über den Katalysator, und die im Rauchgas enthaltenen Stickoxide
werden dabei am Katalysator zu elementaren Stickstoff und Wasser
umgewandelt.
Eine unerwünschte Nebenreaktion stellt die Bildung von Ammoniumsalzen
und deren Kondensation im Rauchgas dar.
Bei der Rostfeuerung fallen etwa 90% der Verbrennungsrückstände als Schlacke, der Rest als Flugstaub an. Eine sichere Einbindung von Schwermetallen in die festen Rückstände ist bei der Rostfeuerung nicht möglich. Schlacke und Flugasche müssen dementsprechend nachbehandelt werden. Die Verglasung der festen Rückstände gleicht diesen Nachteil dieses Verbrennungsverfahrens aus. Sie ist aber zu teuer und wird deshalb nicht angewandt.
Bei Wirbelschichtöfen ist der Großteil der festen Rückständen Flugstaub.
Abwasserbehandlung
ist laut unserem Wissensstand noch nicht vorgesehen.
Lechner Peter (Hg.). Kommunale Abfallversorgung. Facultas Verlags- und Buchhandels AG, Wien. 2004
