Abfallbehandlung in thermischen Verfahren

Die zunehmende Entwicklung von abfallarmen Produktionsverfahren (Vermeidung von Abfällen) und von Herstellungstechnologien, die sich in einen Stoffkreislauf einordnen lassen (Recycling), führt zu zurückgehenden Abfallmengen. Es ist jedoch davon auszugehen, daß nach den Strategien Vermeiden und Vermindern stets Abfall übrig bleibt. Deswegen wird auch in Zukunft eine entsprechende Bedeutung auf der Verwertung und Beseitigung von Abfall liegen. Hierzu ist, in Abhängigkeit gegebener Randbedingungen, jeweils die zugehörige Verfahrenstechnik anzuwenden oder zu entwickeln.

Die Verfahrenstechnik, die Prozeßführung und die Größe einer thermischen Behandlungsanlage sind wesentlich von den anfallenden Mengen und der Charakterisierung des Abfalls abhängig. So können Abfälle allgemein durch

Um prozeßtechnische Möglichkeiten, wie z.B. Optimierungen von Teilprozessen, Beeinflussung der Schlacke- oder Aschequalität usw. erörtern zu können, müssen zunächst die Haupteinflußgrößen des thermischen Behandlungsverfahrens näher betrachtet werden (Abb. 3.1). Dabei ist zu beachten,

Die Vorgänge bei der Verbrennung sind grundsätzlich bekannt und sind z.B. ausführlich in [4.1, 4.2] dargestellt. Im folgenden wird daher nur kurz auf die wesentlichen Grundlagen der Verbrennung von Brenn- und Abfallstoffen eingegangen, wobei jedoch auf die Besonderheiten von Abfällen im Vergleich zu üblichen Brennstoffen, d.h. die Einordnung von Abfall als Brennstoff, jeweils besonders hingewiesen wird. Bei der Verbrennung von gasförmigen, flüssigen oder festen Brennstoffen oder Abfällen, wobei Abfälle sog. „schwierige“ Brennstoffe sind, wird die gebundene chemische Energie (latente Energie) in der Regel mit Sauerstoffträgern wie Luft in Abgasenthalpie umgesetzt. Abb. 4.1 zeigt vereinfacht in prinzipieller Darstellung eine Massenbilanz einer technischen Feuerung für die thermische Abfallbehandlung eines Feststoffes mit dem Apparat Rost.

Bei der Vergasung wird die chemisch gebundene Energie des Vergasungsstoffes (VS)¹) zusammen mit einem Vergasungsmittel (VM) u.a. in chemisch gebundene Energie eines Vergasungsgases (VG) umgewandelt. Als verfahrenstechnische Elemente werden zur Realisierung des Vergasungsprozesses

Führt man eine Behandlung von Brennstoff oder Abfall unter Sauerstoffabschluß, d.h. ohne Sauerstoffzufuhr von außen, nur mit Hilfe von Energiezufuhr durch, so finden nacheinander in Abhängigkeit von der Temperatur Trocknungs-, Verdamp-fungs-, Entgasungs- und chemische Spaltvorgänge statt. Insgesamt wird dieser Prozeß als Pyrolyse bezeichnet. Die Pyrolyse wird, je nach Temperaturniveau, in

aufgeteilt. Dabei laufen, in Abhängigkeit von der Temperatur, die Trocknungs-, die Verschwelungs- und die Gasbildungsphase ab.

Mit Hilfe einer gezielten Verbrennungsprozeßführung, d.h. durch geeignete Mischungsmechanismen in Verbindung mit zugehörigen Temperatur- und Konzentrationsfeldern sowie Verweilzeiten, wird ein möglichst hoher Gas- und Feststoffausbrand unter gleichzeitiger Verminderung von Schadstoffen angestrebt. Voraussetzung für eine entsprechende Prozeßführung sind die Kenntnisse der Bildungs- und Abbaumechanismen sowie die zugehörige Kinetik bei den einzelnen Stoffen. In diesem Kapitel sollen kurz für die wichtigsten Schadstoffe die Mechanismen zur Schadstoffentstehung und -Verminderung in Feuerungen erläutert werden, wobei insbesondere auf weiterführende Literatur verwiesen wird.

Es ist zweckmäßig, zu unterscheiden. Im folgenden wird dargelegt, wie verfahrenstechnische Elemente zusammenzustellen sind, um Forderungen nach Ausbrand und Schadstoffbegrenzung, die in den vorangegangenen Kapiteln beschrieben sind, zunächst qualitativ zu erfüllen. Bei dem Zusammenwirken verschiedener Elemente gibt es natürlich viele Variationen, wie weiter unten noch in den Kap. 11 und 12 anhand ausgeführter Verfahren gezeigt wird. Die folgende Darstellung ist daher nur exemplarisch zu verstehen, soll aber die prinzipiellen Möglichkeiten erläutern.

Bei der Realisierung eines thermischen Behandlungsverfahren bestimmen einerseits die Einsatzstoffe (Abfall) die in Frage kommenden Apparate, andererseits legen diese wiederum das mögliche Niveau der Haupteinflußgrößen und deren Steuermöglichkeiten längs des Apparateweges (Reaktionsweg) zumindest teilweise fest. Für die Umsetzung der verschiedenen Prozeßeinheiten (Kap. 8) können unter anderem folgende grundlegenden Apparate eingesetzt werden:

Für eine systematische Darstellung ist es zunächst zweckmäßig, einen inneren Bilanzraum für das sogenannte „thermische Hauptverfahren“ festzulegen. Grundlage bildet dabei die Kopplung unterschiedlicher Verfahrensbausteine (z.B. Ther-molyse, Vergasung, Verbrennung usw.). Ausgehend von diesem Bilanzraum werden danach je nach Bedarf in mehreren Schritten sich erweiternde Bilanzkreise gezogen bzw. gebildet, bis das „Gesamtverfahren“ unter Hinzunahme von Abgasreinigung, Nutzung der erzeugten Gase, Verfahren zur Herstellung von Hilfsstoffen usw. erfaßt ist.

Das klassische thermische Behandlungsverfahren kann somit in die sog. Verbren-nungs-Verbrennungs-Verfahren (siehe Abb. 1.2 und Tab. 10.1) eingeordnet werden. Es wird häufig als „MVA“ (Müllverbrennungsanlage) bzw. „MKW“ (Müllkraftwerk) bzw. „MHKW“ (Müllheizkraftwerk) abgekürzt. Ziel des Verfahrens ist es, einen festen Reststoff nach der Behandlung (Asche oder angesinterte Asche) zu erhalten, der einer Verwertung oder sicheren Ablagerung zugeführt werden kann. Zusätzlich wird in der Regel eine thermische und elektrische Energienutzung (Wärme und elektrischer Strom) bei hohem Wirkungsgrad angestrebt.

Derzeit befindet sich eine Vielzahl von thermischen Behandlungsverfahren in der Entwicklung (Beispiele in Tab. 12.1). In Anlehnung an Tab. 10.1 wird bei der systematischen Darstellung der Verfahren wieder nach Feststoffbehandlung (stückig, pastös usw.) (1. Einheit) sowie Gas- und Staubbehandlung (2. Einheit) unterschieden. Bei einigen Verfahren ist eine zusätzliche Unterteilung der Einheiten in die Teileinheiten (a) und (b) zweckmäßig.

Bedingt durch die Forderung nach einer energetischen und stofflichen Verwertung von Abfällen durch das Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz (KrW-/AbfG) [2.1] ergibt sich künftig ein weiter Bereich der stoffspezifischen Abfallbehandlung. So zeigt Abb. 13.1 beispielhaft Grundoperationen der Abfallbehandlung für Restabfall aus Hausmüll, hausmüllähnlichem Gewerbemüll, Sperrmüll und Klärschlamm durch Kopplung von

Bei den Prozessen in der Hochtemperaturverfahrenstechnik werden, wie in den vorangehenden Kapiteln beispielhaft erläutert, gasförmige, flüssige und feste Stoffe bei hohen Temperaturen in Industrieöfen und Feuerungen behandelt bzw. umgesetzt. Für die Beschreibung dieser Prozesse im Sinne mathematischer Modelle spielen dementsprechend Wärme- und Stoffübertragungsvorgänge, homogene und heterogene chemische Reaktionen und Strömungs- bzw. Transportvorgänge der Stoffe im Reaktionsraum eine wesentliche Rolle. In dem hier gesteckten Rahmen stehen mehr die Modelle im Vordergrund, die eine Beschreibung des Gesamtprozesses in einem Apparat oder Reaktor erlauben. Beispiele hierfür sind die Verbrennung in einer technischen Brennkammer und der Verbren-nungs- und Vergasungsprozeß in Rostsystemen. In diese Gesamtmodelle fließen Erkenntnisse zu Einzelvorgängen, d.h. Detailmodelle, wie z.B. Diffusions- und Stoffübertragungsansätze, Modelle zum Abbrand von Einzelpartikeln usw. ein. Die Gesamtmodelle setzen sich somit aus einer Reihe von Einzelmodellen zusammen. Wichtig für den Detaillierungsgrad eines Gesamtmodells ist, daß die Genauigkeit und die Flexibilität einer mit dem Modell durchzuführenden Systemanalyse von der Genauigkeit und Verfügbarkeit der jeweils erforderlichen Daten und Randbedingungen der jeweiligen Teilmodelle bestimmt wird.