Thermische Abfallbehandlung: Organischer und elementarer Kohlenstoff als Indikatoren in der Prozessoptimierung

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1 Diss. ETH Nr Thermische Abfallbehandlung: Organischer und elementarer Kohlenstoff als Indikatoren in der Prozessoptimierung ABHANDLUNG zur Erlangung des Titels DOKTOR DER TECHNISCHEN WISSENSCHAFTEN der EIDGENÖSSISCHEN TECHNISCHEN HOCHSCHULE ZÜRICH vorgelegt von STEFAN RUBLI Dip!. Natw. ETH geboren am 10. Januar 1966 von Weisslingen in Zürich Angenommen auf Antrag von: Prof. Dr. P. Baccini, Referent PD. Dr. H. Belevi, Korreferent Prof. Dr. K. Hungerbühler, Korreferent Zürich und Dübendorf 2000

2 Zusammenfassung Die organischen Bestandteile im Siedlungsabfall werden in Müllverbrennungsanlagen mit Rostfeuerung nicht vollständig mineralisiert. Ein gewisser Teil des Kohlenstoffes gelangt in die festen Rückständen und wird als TOC (Totaler Organischer Kohlenstoff) bestimmt. Der TOC lässt sich mit verschiedenen analytischen Methoden charakterisieren. Mit der Charakterisierung lassen sich Aussagen über die Prozessbedingungen während der Verbrennung machen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Beschreibung der Verbrennungsprozesse. Dabei stellen die Temperatur- und Sauerstoffverhältnisse im Feuerraum sowie die Verweilzeit des Abfalls auf dem Rost und der Rauchgase in der Nachbrennkammer die wichtigsten Einflussfaktoren für den Mineralisierungsprozess des organischen Kohlenstoffes dar. Mit besseren Kenntnissen der Wirkungsweise dieser Faktoren auf den Verbrennungsablauf können die Anlagen bezüglich der Mineralisierung des organischen Kohlenstoffes optimiert werden. Zudem könnten die neuen Erkenntnisse möglicherweise zur Beeinflussung der Schwermetallabscheidung aus dem Rostbett genutzt werden. Es wurde ein Vorgehen entwickelt, mit dem die Temperatur- und Sauerstoffverhältnisse im Gutbett mittels organischer Kohlenstoffspezien beschrieben werden können. Bei diesen Spezien handelt es sich um den organischen Kohlenstoff (OC) und den elementaren Kohlenstoff (EC). Die Bestimmung dieser Spezien erfolgte mit einer Pyrolyse-Verbrennungs Apparatur (PVA), die so weiterentwickelt wurde, dass der OC und der EC in unterschiedlichen Rückständen qualitativ und quantitativ bestimmt werden können. In einem nächsten Schritt wurden die OC- und EC-Gehalte in den Rückständen von drei Klärschlammverbrennungsanlagen mit unterschiedlicher Verfahrenstechnik bestimmt. Die Resultate zeigen den Einfluss der Verfahrenstechnik auf die Mineralisierung des organischen Kohlenstoffes. So unterscheiden sich die EC- und OC-Gehalte aus den drei Anlagen um zwei Grössenordnungen, Aus den qualitativen Analysen der Proben können zwei Indikatoren, die die wesentlichen Prozessbedingungen im Gutbett und Feuerraum beschreiben, postuliert werden: Die EC-Konzentration in den festen Rückständen ist ein Indikator für die Sauerstoffversorgung im und über dem Gutbett. Das OC/EC-Verhältnis ist ein Indikator für die Temperaturverhältnisse im und über dem Gutbett. Die Bestimmung der OC- und EC-Konzentrationen in einzelnen Korngrössenklassen von Klärschlammaschen zeigt die mangelhafte Sauerstoffversorgung der mittelgrossen Partikel im Innern des Gutbettes. Die Probenahme während des Zurückfahrens der Anlage bestätigt die Rolle des OC/EC-Verhältnisses als Indikator für die Temperatur im Festbett. Bei abnehmenden Temperaturen im Feuerraum nimmt das OC/EC-Verhältnis zu.

3 Die Untersuchungen in der MVA zeigten, dass die Indikatoren auch in diesen Anlagen zur Prozessbeschreibung eingesetzt werden können, obwohl sich die Verfahrenstechnik und das Inputgut stark von der Klärschlammverbrennung unterscheiden. Die Gegenüberstellung der Temperatur in der zweiten und dritten Zone des Feuerraumes mit den OC/EC-Verhältnissen in der Schlacke aus verschiedenen Versuchen ergaben eine gute Korrelation. Dasselbe gilt für die Sauerstoffversorgung und die EC-Gehalte in der Schlacke. Auch hier konnte eine gute Korrelation nachgewiesen werden. Diese Erkenntnis eröffnet neue Möglichkeiten zur Optimierung des Verbrennungsablaufes in Müllverbrennungsanlagen. Mit den Indikatoren (EC-Gehalt und OC/EC-Verhältnis) könnte der Verbrennungsablauf in den Anlagen über ein entsprechendes Monitoring überprüft und bezüglich des Ausbrandes der Rückstände optimiert werden. In der untersuchten Anlage konnten beispielsweise Mineralisierungsgrade von bis zu 99.9% erreicht werden. Die Anwendung der Methode in einer anderen Anlage mit einem anderen Rostsystem (Rückschubrost) zeigte, dass mit Hilfe der Indikatoren die Auswirkung von verfahrensspezifischen Verbrennungsbedingungen auf den Mineralisierungsprozess aufgezeigt werden kann. In der Gasphase stellt der EC-Gehalt im EFS ein guter Indikator für die Sauerstoffverhältnisse über dem Gutbett und in der Nachbrennkammer dar. Die EC Konzentrationen verhalten sich umgekehrt proportional zu den Schwermetallen Zink und Cadmium (tiefer EC-Gehalt, hoher Zn,Cd-Gehalt). Trotz der Korrelation sind aber unterschiedliche Faktoren dafür verantwortlich. Die Einstellung der Unterwind- und Plattenluftzufuhr ist von entscheidender Bedeutung für die Mineralisierung des organischen Kohlenstoffes in den Rückständen sowie für die Abscheidung der Schwermetalle in die Gasphase. Die Schwermetallabscheidung kann indirekt über den Unterwind beeinflusst werden, indem dieser regelmässig und auf tiefem Niveau zugeführt wird. Damit erhöht sich die Temperatur im Gutbett, die für die Schwermetallabscheidung entscheidend ist. Zudem führen die starken Schwankungen des Unterwindes zu einem erhöhten Staubtransfer in die Gasphase (bis zu 100% höher als bei konstanter Zufuhr), weil das maximal zugeführte Unterwindvolumen innerhalb eines Zeitabschnittes den Transfer bestimmt. Als Kompensation zum tiefen Unterwindvolumen wird mehr Plattenluft zugeführt. Dies verbessert die Sauerstoffverhältnisse über dem Gutbett und zusammen mit der Sekundärluft auch in der Nachbrennkammer. Damit wird eine sehr effiziente Mineralisierung des Kohlenstoffes in der Gasphase erreicht. Der Einsatz der Indikatoren ermöglicht eine bessere Beschreibung der Prozessbedingungen im Ofen. Damit ist eine Optimierung des Verbrennungsprozesses bezüglich der Mineralisierung des organischen Kohlenstoffes und der Schwermetallverteilung möglich.

4 Abstract Complete mineralization of organic components of municipal solid waste is not achieved in incinerators with grate type fumaces. A certain part of the carbon is transferred to the solid residues, which is determined as TOC (total organic carbon). The TOC can be characterized by different analytical methods. This characterization may provide information on process conditions during incineration. The present work focuses on ineineration processes. The temperature and redox conditions in and above the fumace bed as weil as the residence time of the solid waste on the grate and of the raw gas in the secondary combustion zone are the most important factors determining mineralization processes of organics. An improved knowledge of the influence of these factors on the ineineration process may help to optimize the facilities with regard to the mineralization of organics. Furthermore the results may be used to influence the heavy metal evaporation from the fumace bed. A procedure has been developed to elucidate the temperature and redox conditions in the fumace bed by determining the concentrations of carbon species. These species are the organic carbon (OC) and elemental carbon (EC). A pyrolysis-oxidation apparatus for the determination of these species has been applied. The apparatus has been further developed to enable the qualitative and quantitative determination of OC and EC concentrations in various incineration residues. The next step was the determination of OC and EC contents in the residues of three sewage sludge incinerator systems equipped with different incineration technologies. The results show the impact of the ineineration technology on the mineralization of the organic carbon. Thus, the OC and EC contents in the residues ofthe three facilities differ by two orders ofmagnitude. With the help of the qualitative analysis of the sewage sludge ashes two indicators can be postulated, which enable the description of the process conditions within and above the fumace bed: The EC concentration in the solid residues is an indicator for the oxygen supply within and above the fumace bed. The OC/EC ratio is an indicator for the temperature conditions within and above the fumace bed. The determination of the OC and EC concentrations in the different particle size classes of sewage sludge ashes shows a poor oxygen supply to the medium-sized particles, which represent the central core of the bed. The sampling of the ashes during the turn-off of the rotary kiln confirm the role of the OC/EC ratio as an indicator of the temperature conditions in the fumace bed. The OC/EC ratio decreased by increasing temperatures in the fumace.

5 The results of the investigations in a municipal solid waste ineineration facility showed, that the indicators could also be used in these facilities for process description. Although if the ineineration technology and the input properties may differ strongly from the sewage sludge incineration. The comparison of the temperatures in the second and third zone of furnace chamber with the OCIEC ratios in the bottom ash from different experiments shows a good correlation. There is also a good correlation between the oxygen supply and the EC concentration in the bottom ash. These findings open new possibilities for the optimization of the incineration process in the municipal solid waste incineration facilities. The ineineration process could be better controlled by using the indicators (EC content and OCIEC ratio) in combination with an appropriate monitoring. Moreover, a better bum out in the bottom ash could be achieved. For instance, a mineralization efficiency of 99.9% has been reached in the investigated facility. The application of the method in a further facility with a different grate system (backward reciprocating grate) showed, that the effect of the specific process conditions on the mineralization process can be explained by the help of the organic indicators. In the gaseous phase the EC content of the ESP dust is a good indicator for the oxygen conditions above the grate and in the secondary combustion zone. There is inverse proportionality between the EC concentrations and the concentrations of the heavy metals zinc and cadmium (low EC contents +-+ high Zn-, Cd contents), though the process that cause this relationship differs. The adjustment of the undergrate air and the air from the side walls are decisive for the mineralization of the organie carbon in the residues as weil for the evaporation of the heavy metals into the raw gas. The undergrate air can indirectly influence the evaporation of the heavy metals by supplying the air at a constant and low level. Due to this air supply the temperature increases in the fumace bed, which is decisive for the evaporation of the heavy metals. Moreover, the strong variations of the undergrate air raise the transfer of dust and ash to the gaseous phase (up to 100% compared to constant undergrate air supply), by reason of the highest undergrate air supply determine the transfer within a defined period of time. The lower undergrate air supply is compensated by an increased air supply from the sidewalls. This improves the oxygen conditions above the furnace bed as weil as in the secondary combustion zone by supplying additional secondary air. Thus, a very effective mineralization of the carbon in the gaseous phase is achieved. The application of the organic indicators enables a better elucidation of the process conditions in the fumace. An optimization of the incineration process regarding to mineralization of organics and heavy metal distribution is possible.