Gesamt-Konzept zur Abfallverwertung mit hoher Energieeffizienz und integrierter Wertstoffrückgewinnung

Transkript

1

2 Abfallverwertung mit hoher Energieeffizienz und integrierter Wertstoffrückgewinnung Gesamt-Konzept zur Abfallverwertung mit hoher Energieeffizienz und integrierter Wertstoffrückgewinnung Anlagen Axel Hanenkamp, Robert von Raven, Max Schönsteiner und Martin Murer 1. Anlagen und Systeme zur Abfallbehandlung mit Betrachtung von Effizienzpotenzialen Thermische Abfallbehandlung Effizienzpotenziale der thermischen Abfallbehandlungsanlage Systeme und Anlagen zur Schlacken- und Wertstoffaufbereitung Nassaustragssysteme Trockenaustragssysteme Wertstoffaufbereitung trockener Rostschlacken Zusammenfassung Literatur...21 Die thermische Verwertung von Restabfällen aus Haushalten und Industrie erfolgt in der Regel durch thermische Abfallverwertungsanlagen. Dabei steht die umweltschonende und effiziente Nutzung der in den Restabfällen enthaltenen Energie im Vordergrund. Neben der Steigerung der Energieeffizienz von Anlagen zur energetischen Umsetzung von Abfällen steht auch die Ressourcenschonung und damit die Aufbereitung von Reststoffen im langfristigen Fokus der europäischen Union. Mit dem Gesetz zur Kreislaufwirtschaft ist das langfristige Ziel verbunden, eine Recyclingquote von 65 Prozent für Siedlungs- und 75 Prozent für Verpackungsabfall bei maximaler Deponierung von 10 Prozent der Abfälle im Jahr 2030 für fast alle EU-Länder zu erreichen. Dieser vorgegebene Zeithorizont ergibt die Notwendigkeit, tragfähige technische Konzepte zu Erfüllung der Ziele zu entwickeln. Im Rahmen dieser politischen Zielsetzung werden thermische Abfallbehandlungsanlagen mit rostfeuerungsbasierten Systemen zur aktiven Ressourcenschonung noch attraktiver, weil neben der hohen Energieeffizienz auch der verbesserten Rückgewinnung von Wertstoffen zur Substitution von Rohstoffen größere Bedeutung zukommt. Dabei ist vor allem die Rostschlacke von Interesse, da sie die größte Rückstandsfraktion des Verbrennungsprozesses darstellt und ein hohes Verwertungspotenzial bietet. Einen signifikanten technischen und ökonomischen Optimierungsschritt stellt in diesem Zusammenhang der trockene Austrag und Aufbereitung von trockener Rostschlacke dar. Neben der verbesserten Rückgewinnung hochwertiger, sortenreiner Metallfraktionen sind die Eigenschaften der nicht mit Wasser abgekühlten Mineralikfraktion für eine Verwertung von Interesse. 3

3 Anlagen Axel Hanenkamp, Robert von Raven, Max Schönsteiner, Martin Murer 1. Anlagen und Systeme zur Abfallbehandlung mit Betrachtung von Effizienzpotenzialen 1.1. Thermische Abfallbehandlung Bei der Realisierung von thermischen Abfallbehandlungsanlagen kommen je nach Anwendungsfall die unterschiedlichsten Rosttypen zum Einsatz. Der Rückschub-Rost ist dabei das von Martin bevorzugte Rostsystem. Bild 1 zeigt das Prinzipschema einer thermischen Abfallbehandlungsanlage. Einfülltrichter Anlieferung Sperrmüllschere Abfallkrananlage Sekundärluftsystem Feuerraum SNCR Öl-/Gasbrenner IR- Kamera Abhitzekessel bar ºC Turbine Generator Kondensator Kamin Fernwärme Prozessdampf Dampfmaschine Netz Frischdampf Speisewasser Eigenbedarf Fernwärme Eigenbedarf Abfallbunker Beschickung Stößelentschlacker Primärluftsystem mit LUVO Rückschubrost Rostdurchfallförderer Absorber Schlauchfilter Flugaschetransport Reststoffsilo Schlackebunker Abgasrezirkulation Saugzug Saurer Wäscher Bild 1: Prinzipschema einer thermischen Abfallbehandlungsanlage In Kombination mit dem ausgewählten Rosttyp wird das Kessel- und Verbrennungsverfahren optimal auf den Einsatzzweck abgestimmt. Dazu werden verschiedene energieeffiziente Verbrennungskonzepte angeboten [15]. Haupttreiber für die Errichtung von hocheffizienten Abfallverwertungsanlagen sind in Europa die European Waste Framework Directive (Abfallrahmenrichtlinie) [6, 8] und die European Industrial Emissions Directive [7], die im europäischen Raum die wesentlichen Vorgaben für thermische Abfallbehandlungsanlagen beinhalten. Dabei weisen bestehende Anlagen, die nur zur Stromproduktion eingesetzt werden, elektrische Wirkungsgrade von 18 bis zu 26 Prozent auf [10]. Neuere Anlagen erreichen Wirkungsgrade im rein stromgeführten Betrieb von über 30 Prozent. Bei wärmegeführten Anlagen sind Wirkungsgrade von bis zu 90 Prozent bereits der Stand der Technik [18]. Diese Anlagen können allerdings nur wirtschaftlich betrieben werden in Regionen mit signifikantem Fernwärmebedarf oder industrieller Abnahme der Abwärmen und des Prozessdampfs. Das Konzept der kombinierten Erzeugung von Strom und Wärme ist weitverbreitet und das Geschäftsmodell basiert auf den Erlösen der Energieformen Strom und Wärme. 4

4 Abfallverwertung mit hoher Energieeffizienz und integrierter Wertstoffrückgewinnung Für einzelne Märkte zeigt es sich, dass für Neuanlagen die reine Stromproduktion das dominante Geschäftsmodell ist, weshalb die folgenden Betrachtungen auf die reine Stromproduktion auslegt sind. Anlagen 1.2. Effizienzpotenziale der thermischen Abfallbehandlungsanlage Die Steigerung der Energieeffizienz ist der wesentliche Treiber für Investitionen in Neu- und Bestandsanlagen, da sich eine Verbesserung des Geschäftsmodells für den Betreiber der Anlage realisieren lässt. Im Rahmen einer Neuinvestition in eine Gesamtanlage fallen die technischen Maßnahmen zur Effizienzsteigerung und deren Einfluss auf die Gesamtinvestition nicht so stark ins Gewicht, bei der Modernisierung von bestehenden Anlagen ist die mögliche Effizienzsteigerung das entscheidende Investitionskriterium. Die Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz lassen sich durch folgende Wirkungsgradformel beschreiben: η = Q. B - Verluste Q. B (1) Die Größe Wärmestrom Q B ist durch die Grundauslegung der Anlage vorgegeben. Der Wirkungsgrad kann durch eine Reduzierung der auftretenden Verluste in den typischen Komponenten einer Dampfkesselanlage gesteigert werden [20, 22]. Eine, dem Stand der Technik entsprechende, verfahrenstechnische Verschaltung und Auslegungsdaten einer Dampfkesselanlage für eine thermische Abfallbehandlungsanlage sind Bild 2 und Tabelle 1 zu entnehmen. Trommel Verdampfer Überhitzer Economiser Turbine Generator G LuVo- Mitteldruck Kondensator Speisewasserbehälter Sekundärluft Primärluft LuVo- Niederdruck Niederdruckvorwärmer Speisewasserpumpe Kondensatorpumpe Bild 2: Wasser-Dampf-Kreislauf der TVA Bozen 5

5 Anlagen Axel Hanenkamp, Robert von Raven, Max Schönsteiner, Martin Murer Parameter Größe Einheit Wert Frischdampftemperatur T C 400 Frischdampfdruck p bar 40 Speisewassertemperatur T C 130 Kondensationsdruck p bar 0,10 Luftüberschuss λ [-] 1,75-1,9 Primärlufttemperatur T C Abgastemperatur Kesselende T C 200 Mittlere Temperatur der Wärmeübertragung T C 245 Wirkungsgrad elektrisch (netto) η [-] 22 % Tabelle 1: Auslegungsparameter des Wasser- Dampf- und Verbrennungssystems der TVA Bozen Die wesentlichen Verluste in einer solchen, mit einer Kondensationsturbine betriebenen Anlage sind die abzugebende Wärme im Kondensator nach der Kondensationsturbine, die Abstrahl- und Reststoffverluste, sowie die Abgaswärmeverluste am Kamin. Daher gibt es für die Optimierung der Gesamtanlage zwei wesentliche Optimierungsfelder. Zum einen die Optimierung des Wasser-Dampf-Kreislaufes in dem der Prozess abläuft und zum anderen die Verbesserung der Wärmerzeugung und damit die Verbrennungsführung. Die Optimierung des Wasser-Dampf-Kreislaufes lässt sich durch die folgenden Möglichkeiten beschreiben: Erhöhung der mittleren Temperatur im Wasser-Dampf-Kreislauf Dampfentnahmen in der Turbine mit möglichst geringen Anzapfdrücken Wahl eines minimalen Kondensationsdruckes Verbesserung der inneren Effizienz der eingesetzten Turbomaschine. Die Abstrahlverluste lassen sich durch wärmetechnische Isolationskonzepte im Feuerraum minimieren, die Reduzierung der Reststoffverluste werden durch Verbesserungen in der Feuerungs- und Austragstechnik reduziert. Der wesentliche Treiber zur Verminderung der Abgaswärmeverluste am Kamin ist die Absenkung des Sauerstoffs bzw. des Luftüberschusses durch eine fortschrittliche Verbrennungsführung [9, 14]. Bei der in 2007 realisierten Anlage HRC Amsterdam konnte durch den Einsatz einer Zwischenüberhitzung im Wasser-Dampf-Kreislauf, der Möglichkeit der Absenkung des Kondensationsdruckes durch eine Seewasserkühlung und der Absenkung des Luftüberschusses bereits eine elektrische Wirkungsgradsteigerung (netto) auf über 30 Prozent erreicht werden. Bild 3 zeigt die Schaltung der Zwischenüberhitzung, Bild 4 das zugehörige T-S-Diagramm. Die in Amsterdam realisierte Zwischenüberhitzung beim Übergang zwischen Hochdruck- und Niederdruckturbine liegt bei p=14 bar und T=195 C. Der Entnahmedampf aus der Hochdruckturbine strömt durch einen Wärmetauscher, der mit Hilfe eines zweiten Kreislaufs mit Dampf aus der Kesseltrommel (TS=339 C; ps=145 bar) auf T=320 C überhitzt und der Niederdruckturbinenstufe zugeführt wird. Der Kondensationsdruck wurde durch eine vorhandene Seewasserkühlung auf bis zu p=0,03 bar abgesenkt. 6

6 Abfallverwertung mit hoher Energieeffizienz und integrierter Wertstoffrückgewinnung Anlagen Economiser Kondensatpumpe Hochdruckturbine Wasserabscheider Speisewasservorwärmer Economiser 2 Dampftrommel Zwischenüberhitzer Überhitzer Verdampfer Speisewasserpumpe Speisewasserbehälter Niederdruckturbine Generator G Getriebe Rostkühlunmiser Econo- 3 Kondensator Bild 3: Wasser-Dampf-Kreislauf der WtE HRC Amsterdam, 2007 Quelle: Van Berlo, M.A.; Wandschneider, J.: Value from waste: Waste fired powerplant the new standard for recovery of sustainable energy, metals and building materials from urban waste. Amsterdam and The Netherlands: Afvalenergiebedrijf, the city of Amsterdam, 2006 Temperatur ºC bar 40 bar 14 bar Entropie kj/kgk HRC Amsterdam 440 ºC, 130 bar / 320 ºC, 14 bar η el,net ~30 % MVA Bozen 400 ºC, 40 bar η el,net ~22 % Bild 4: T-S-Diagramm; Wasser-Dampf- Kreislauf der TVA Bozen und der HRC Amsterdam Die mittlere Temperatur der Wärmeübertragung (WÜ) kann somit im gesamten Kreislauf um 52 C gegenüber einer konventionellen WtE-Anlage angehoben werden. Die Verbrennungsführung mit einer Abgasrezirkulation ermöglicht das Absenken des Luftüberschusses auf 1,4. 7

7 Anlagen Axel Hanenkamp, Robert von Raven, Max Schönsteiner, Martin Murer Tabelle 2: Thermodynamische Daten der TVA Bozen und der HRC Amsterdam Parameter Größe Einheit TVA HRC Bozen Amsterdam Frischdampftemperatur T C Frischdampfdruck p bar Zwischenüberhitzung Temperatur T C 320 Zwischenüberhitzung Druck p bar 14 Speisewassertemperatur T C Kondensationsdruck p bar 0,10 0,03 Luftüberschuss λ [-] 1,75-1,9 1,4 Primärlufttemperatur T C Abgastemperatur Kesselende T C Mittlere Temperatur der WÜ T C Wirkungsgrad elektrisch (netto) η [-] 22 % 30,6 % Weitere Maßnahmen zur Effizienzsteigerung können im wesentlichen über die Steigerung der übertragenen mittleren Temperatur erreicht werden. Behält man das Konzept einer Zwischenüberhitzung bei und erhöht sowohl die Frischdampfparameter als auch die Speisewassertemperatur analog zu existierenden Kohlekraftwerkskonzepten und dem aktuellen Stand der Technik, so lässt sich der elektrische Wirkungsgrad (netto) einer Anlage auf 36 Prozent steigern [15]. Die Daten dieses High-Efficiency (HE)- Konzeptes sind der Tabelle 3 zu entnehmen. Tabelle 3: Vergleich der thermodynamischen Daten der TVA Bozen, der HRC Amsterdam, 2007 und des High-Efficiency-Konzepts Parameter Größe Einheit TVA HRC HE-WtE- Bozen Amsterdam Konzept Frischdampftemperatur T C Frischdampfdruck p bar Zwischenüberhitzung Temperatur T C Zwischenüberhitzung Druck p bar Speisewassertemperatur T C Kondensationsdruck p bar 0,10 0,03 0,05 Luftüberschuss λ [-] 1,75-1,9 1,4 1,25 Primärlufttemperatur T C Abgastemperatur Kesselende T C * Mittlere Temperatur der WÜ T C Wirkungsgrad elektrisch (netto) η [-] 22 % 30,6 % 36 % *mit Wärmeauskopplung zur Luftvorwärmung im Abgasweg Das Q-T-Diagramm in Bild 5 zeigt anschaulich, wie die zur Verfügung stehende Wärme übertragen wird. 8

8 Abfallverwertung mit hoher Energieeffizienz und integrierter Wertstoffrückgewinnung Anlagen Temperatur ºC ÜH Verdampfer Wand-ÜH VD ÜH 1 ÜH 3 ECO LuVo 2 SPW-VW LuVo 1 ΔT konv.wü Übertragene Wärmemenge % der BW Wasser/Dampf Abgas Luft Bild 5: Q-T-Diagramm des High- Efficiency-WtE-Konzepts Zu Beginn der Wärmeübertragung findet die Übertragung der Wärme im Verdampfer statt. Anschließend erfolgt die Überhitzung in den drei Überhitzern ÜH1-ÜH3. Das HE-WtE-Konzept sieht für die Endüberhitzung auf die Frischdampftemperatur von 500 C einen Wandüberhitzer im Feuerraum vor, welcher die Strahlung im Feuerraum zur Endüberhitzung nutzt. Die mittlere Temperatur der Wärmeübertragung wird durch den Einsatz des Wandüberhitzers auf 367 C erhöht und liegt damit 70 C über der mittleren Temperatur der WÜ der Anlage HRC Amsterdam. Bild 6 zeigt den Wandüberhitzer im Feuerraum. Der Wandüberhitzer wird hinter einem hinterlüfteten Ausmauerungssystem im Feuerraum installiert und damit vor Korrosion geschützt [16]. EVAP 1 SH 3 SH 2.2 SH 2.1 SH 1.2 SH 1.1 ECO 1.6 ECO 1.5 ECO 1.4 ECO 1.3 ECO 1.2 ECO 1.1 Bild 6: Wandüberhitzer 9

9 Anlagen Axel Hanenkamp, Robert von Raven, Max Schönsteiner, Martin Murer Die Erhöhung der mittleren übertragbaren Temperatur ist die thermodynamische Einflussgröße zur Steigerung des Wirkungsgrades. Das HE-WtE-Konzept zeigt, wie sich mit dem Einsatz eines Wandüberhitzers elektrische Wirkungsgrade (netto) von 36 Prozent erreichen lassen, ohne zusätzliche Korrosionsrisiken an den Überhitzerkomponenten in Kauf nehmen zu müssen. 2. Systeme und Anlagen zur Schlacken- und Wertstoffaufbereitung Die thermische Abfallbehandlung erfüllt seit Jahren eine unverzichtbare Rolle im globalen Abfallwirtschaftsgeschehen. Neben der thermischen Entsorgung von Restabfällen unter Erzeugung von Energie und der Funktion als Schadstoffsenke wird mit der Möglichkeit der Rückgewinnung von Metallen und mineralischen Fraktionen eine wichtige Funktion in der zukünftigen Kreislaufwirtschaft erfüllt. Im Rahmen einer UNEP-Studie [19] wird im Zuge der stetig wachsenden Weltbevölkerung und des globalen Wirtschaftswachstums mit einer Zunahme des weltweiten Bedarfs an Metallen um den Faktor 3 bis 9 gerechnet. Dies führt unweigerlich zu einer Preissteigerung und Verknappung der Ressourcen. Auf der Suche nach alternativen sekundären Rohstoffquellen rücken Reststoffe als anthropogene Lagerstätten immer mehr in den Fokus. Die entwickelten Industriestaaten nehmen auf diesem Gebiet eine Vorreiterrolle ein. Im Jahr 2014 wurden in Europa etwa 88 Millionen Tonnen Restabfall in thermischen Abfallverwertungsanlagen behandelt. Der thermische Prozess lieferte dabei etwa 18 Millionen Tonnen Rostschlacken, die ein hohes Potenzial an mineralischen Fraktionen und Metallen beinhalten, das durch Schlackenaufbereitung und anschließendem Recycling zurückgewonnen werden kann und damit dem Rohstoffkreislauf wieder zugeführt wird. Durch die Nutzung der zurückgewonnenen Metalle als Sekundärrohstoff können der Energieaufwand und der Umwelteinfluss durch Rohstoffgewinnung und -aufbereitung gegenüber der Gewinnung aus Primärrohstoff signifikant reduziert werden [5]. Des Weiteren trägt die Metallrückgewinnung aus Rostschlacken dazu bei CO 2 -Emissionen zu reduzieren. So können durch jede Tonne wiedergewonnener Metalle kg CO 2 -Äquivalent eingespart werden [12]. Dies kann alleine in Europa zu einer Einsparung von etwa 3,2 Millionen Tonnen CO 2 -Äquivalent führen. Die Auswertung der Wertstofffraktionen in Rostschlacken zeigen, dass im Mittel der Eisengehalt in Schlacken zwischen 5 und 12 Prozent liegt, der Anteil der Nichteisenmetalle zwischen 1 und 5 Prozent variiert. Diese Wertstofffraktionen gilt es nahezu verlustfrei mit einer optimalen Prozessführung aus Entschlackung und Aufbereitung zurückzugewinnen. Die Prozessführung ist so gestaltet, dass der Siedlungsabfall von Rostfeuerungen thermisch verwertet wird, die Schlacken nach dem vollständigen Ausbrand in den Entschlacker abgeworfen werden, um dann den weiteren verfahrenstechnischen Prozessen, wie ggf. Schlackenkonditionierung und Aufbereitung zugeführt werden. Die Austragsverfahren können in nass- und trockenbetriebene Systeme unterteilt werden. 10

10

11

12 Abfallverwertung mit hoher Energieeffizienz und integrierter Wertstoffrückgewinnung Anlagen Wertstoffinhalt in Rostschlacke % Eisen Nichteisen Glas Edelstahl 0 1 Bild 7: Wertstoffinhalte von Rostschlacken (eigene Untersuchungen) Derzeit werden in fast allen thermischen Abfallbehandlungsanlagen nasse Verfahren zur Entschlackung eingesetzt. Durch diese Art des Austrags wird die Schlacke nicht nur zu etwa zwanzig Prozent angefeuchtet, sondern sie reagiert auch in vielfältiger Art und Weise mit dem Wasser. Die anschließende Aufbereitung ist vor allem auf den Aspekt der Metallrückgewinnung sowie die Nutzung der mineralischen Fraktionen als Baustoff ausgerichtet. Die derzeitigen Aufbereitungsverfahren für nasse Schlacken gewinnen die Metalle aus den Reststoffen nur unvollständig zurück. Aufgrund des nassen Austrags und den damit verbundenen Oxidationsprozessen wird bereits im Entschlacker ein Teil der Metalle entwertet. Die Abbindeprozesse der Mineralik erschweren einen Aufschluss der Einzelkomponenten und damit ihre Abtrennbarkeit. Dies führt dazu, dass die Metalle aus Schlacken nur teilweise und unter Qualitätseinbußen zurückgewonnen werden können und andererseits ein Baustoff erzeugt wird, dessen Beschaffenheit eine hochwertige Verwertung zunehmend schwieriger macht [17] Nassaustragssysteme Die Nassentschlackung hat sich seit Jahrzehnten als kompaktes, zuverlässiges und kostengünstiges Verfahren für den Austrag von Schlacke bewährt (Bild 8). Die ausgebrannte heiße Schlacke wird vom Rostende in das Wasserbad des Entschlackers abgeworfen. Hier erfolgt die vollständige Ablöschung, aber auch die teilweise Entwertung, 13

13 Anlagen Axel Hanenkamp, Robert von Raven, Max Schönsteiner, Martin Murer der in der Schlacke enthaltenen Metallfraktionen. Der Wasserverbrauch richtet sich ausschließlich nach der Temperatur der Schlacke und deren Aufnahmefähigkeit für Wasser. Nur die zum Ablöschen der Schlacke benötigte Wassermenge wird nachgefüllt. Bis zur vorderen Abschlusswand sind sie mit Wasser und einer gleich bleibenden Schlackemenge gefüllt. Dies gewährleistet einen Luftabschluss gegen den Feuerraum. Dadurch wird eine Abgas-und Wärmebelastung im Schlackekeller sowie der Einbruch von Falschluft in den Kessel vermieden. Durch den Austragkolben wird die Schlacke unter der Abschlusswand hindurch bis zur Abwurfkante geschoben. Dadurch wird ein staub-und geruchsfreier Austrag der Schlacke erreicht. Vor der Abwurfkante ist eine Abtropfstrecke in der Austragschurre angeordnet. Auf dieser wird durch die Kompression des Austragkolbens das überschüssige Wasser herausgepresst. Die Schlacke wird daher nicht nass, sondern nur feucht aus dem Entschlacker ausgetragen. Wasserzufuhr Bild 8: Entschlacker mit anhebbarer Vorderwand 2.2. Trockenaustragssysteme Damit die in der Schlacke enthaltenen Metalle nahezu vollständig zurückgewonnen werden können, existieren am Markt verschiedene Trockenaustragssysteme. Zurzeit werden diese Trockenaustragssysteme großtechnisch in der Schweiz betrieben. Die Trockenaustragssysteme sind an den Standorten SATOM Monthey, ERZ Zürich Hagenholz, KVA Horgen und KEZO Hinwil installiert. Martin hat ein Trockenaustragssystem entwickelt und bereits großtechnisch in der Anlage SATOM Monthey bei den beiden bestehenden Linien umgesetzt. Dieses System besteht aus den Komponenten Entschlacker, Windsichter und Staubabscheidung und ist seit 6 Jahren erfolgreich in Betrieb [2, 3]. Dieses System der Trockenentschlackung ermöglicht eine Aufbereitung des gesamten, metallhaltigen Schlackenstoffstroms bis in den Feinbereich und gewährleistet somit eine vollständige Metallrückgewinnung mit hohem Abscheide- und Reinheitsgrad. 14

14 Abfallverwertung mit hoher Energieeffizienz und integrierter Wertstoffrückgewinnung Bei der Trockenentschlackung (Bild 9) wird der Stößelentschlacker ohne Wasser betrieben. Für den Luftabschluss wird die Rostschlacke im Schlackenschacht aufgestaut, sodass eine klare Trennung zwischen der Feuerung und der Entschlackung gegeben ist. Die trocken aus dem Verbrennungssystem ausgetragene gesamte Rostschlacke wird direkt einem Windsichter (Bild 10) zugeführt, in dem der Fein- und Staubanteil < 1 mm sowie ggf. Faseranteile von der Grobschlacke abgetrennt werden. Anlagen Umgebungsluft Schlackenstaub Staubabscheidung Schlackestrom Absaugluftstrom Kabine Feinschlacke Umgebungsluft Windsichter Grobschlacke Bild 9: Trockenentschlackung Bild 10: Windsichter In einer Staubabscheidung (z.b. Zyklon) wird dann die Feinschlacke aus dem Luftstrom entfernt. Die entfrachtete Windsichterluft, mit einem sehr geringen Anteil an Schlackenstaub, kann der Sekundärluft zugeführt werden. Durch die Abtrennung der 15

15 Anlagen Axel Hanenkamp, Robert von Raven, Max Schönsteiner, Martin Murer Feinfraktion im Windsichter zu Beginn des Förderweges wird die Staubbelastung der gesamten nachfolgenden Transport- und Aufbereitungsaggregate minimiert. Damit können diese Aggregate genauso ausgelegt und verwendet werden wie für den Transport von Nassschlacke. Hier zeigt sich die hohe Wirtschaftlichkeit dieses Systems zum Trockenaustrag von Schlacken. Die gesamte Feinschlacke < 1 mm wird in Silos gesammelt und zur weiteren Verwertung als Zementersatz bei der Verfestigung von Filterstäuben abtransportiert. Die gesamte, von der Feinschlacke entfrachtete, metallangereicherte Grobschlacke beider Verbrennungslinien wird, mit allen darin befindlichen Eisen- und NE-Metallen, ohne Zwischenlagerung direkt der Metallrückgewinnung zugeführt. Untersuchungen zum trockenen Austrag von Rostschlacken haben gezeigt, dass in einer abgesiebten Feinfraktion ein großes Wertschöpfungspotenzial an NE-Metallen vorhanden ist. Durch das Trennverfahren der Trockenentschlackung (Windsichtung, keine Absiebung) sind in der Feinschlacke bezogen auf die Gesamtrostschlacke jedoch nur in sehr geringem Umfang Metalle vorhanden, deren Rückgewinnung unwirtschaftlich ist [11]. Der nahezu gesamte Metallgehalt der Rostschlacken verbleibt im Schlackenhauptstoffstrom, der der Aufbereitung zugeführt wird. Diese Aufbereitung in entstaubten, metallhaltigen Grob- und metallfreien Feinanteil macht es möglich, besonders wirtschaftliche Konzepte der Aufbereitung einzusetzen. Martin bietet ein solches Konzept der Aufbereitung von trockenen Rostschlacken an Wertstoffaufbereitung trockener Rostschlacken Stand der Technik bei der trockenmechanischen Aufbereitung von Rostschlacken ist die Abscheidung von Eisen sowie Nichteisen und die Herstellung mineralischer Fraktionen, die einer Verwertung zugeführt werden können. Typische Aufbereitungsschritte für Nassschlacke sind (Zwischen-)Lagerung der alternden, feuchten Schlacke, Klassierung, Magnetscheidung, Wirbelstromscheidung und Zerkleinerung [4, 13]. Die gealterte Schlacke wird einem Aufbereitungssystem zugeführt, bei dem die Eisenabscheidung (Fe-Abscheidung) mittels Magnetabscheidern (Trommelsowie Bandmagneten) erfolgt. Zur Nichteisen-Metallabscheidung (NE-Abscheidung) kommen Wirbelstromscheider oder Allmetallabscheider zum Einsatz. Grobstückige Metallbestandteile werden meist vorher manuell aussortiert. Vergleicht man die trockenmechanische Aufbereitung und die Wertstoffausbringung von Fe- und NE-Metallen von Nass-und Trockenschlacke, so zeigt sich der eindeutige Vorteil von trocken ausgetragenen Rostschlacken hinsichtlich der Wertstoffausbringung von Fe- und NE-Metallen bei Verwendung eines identischen Aufbereitungssystems für beide Schlacketypen [17]. Die trockene Schlacke liegt bereits in einem körnigen, sofort zugänglichen Zustand und damit in einer sehr guten Qualität für die Aufbereitung vor, während bei der nassen Rostschlacke Anbackungen und Inklusionen aufzubrechen sind, um die Wertstoffe in einer gleichen Qualität wie bei der trockene 16

16 Abfallverwertung mit hoher Energieeffizienz und integrierter Wertstoffrückgewinnung Rostschlacke abtrennen zu können. Daher ist die Betrachtung der Wertstoffausbringung der nassen Rostschlacke auf den Wert RW nass, korrigiert anzupassen. Für Fe-Metalle ergibt sich nahezu kein Ausbringungsvorteil der trockenen Schlacke gegenüber der Nassschlacke, für NE-Metalle ergibt sich jedoch für die Trockenschlacke ein deutlicher Vorteil von +27 Prozent gegenüber der Nassschlacke (Bild 11). Anlagen Wertstoffausbringung % Eisenmetalle Nichteisenmetalle +27 Rw trocken Rw nass Rw nass, korrigiert Bild 11: Wertstoffausbringung von Nassund Trockenschlacke Quelle: Quicker, P.; Stockschläder, J. et al.: Möglichkeiten einer ressourcenschonenden Kreislaufwirtschaft durch weitergehende Gewinnung von Rohstoffen aus festen Verbrennungsrückständen aus der Behandlung von Siedlungsabfällen. Bericht UBA-FB , 2016 Diesen signifikanten Vorteil macht sich die vorgestellte Aufbereitung von trockener Rostschlacke zunutze, indem das Gesamtsystem wirtschaftlich weiter optimiert wird. Die Aufbereitung der trockenen, staubentfrachteten Rostschlacken erfolgt mittels bewährter Verfahrensschritte und optimierten Komponenten der trockenmechanischen Nassschlackenaufbereitung ohne weitere zusätzliche verfahrenstechnische und apparative Aufwände. Die Alterung der Schlacken entfällt zusätzlich. Eine Umstellung von bestehenden Aufbereitungsanlagen für Nassschlacke auf die Metallrückgewinnung aus trockenen Rostschlacken nach der Windsichtung ist problemlos möglich. Die trockene Schlacke wird nach der Grobschrottabscheidung einer Siebkaskade zugeführt. Die Grobfraktion >100 mm wird nach Entschrottung in der Handsortierstation von weiteren Wertstoffen und unverbrannten Restbestandteilen befreit. Die Eisenund Nichteisenmetalle (FE und NE) werden durch eine geschickte Kombination aus Magnet- und Wirbelstromabscheidern bis in die Feinfraktion zurückgewonnen. Eine Zerkleinerung der Restfraktionen kann in Agglomeraten gebundene Wertstoffe aufschließen und so die Ausbeute maximieren. Dieses Konzept der Wertstoffaufbereitung konnte bereits in einer großtechnischen Anlage validiert werden. Die Aufbereitungsanlage ist modular aufgebaut und kann daher jeder technischen und wirtschaftlichen Situation angepasst werden. Bild 12 zeigt das Gesamtlayout der Anlage zur Wertstoffaufbereitung. 17

17 Anlagen Axel Hanenkamp, Robert von Raven, Max Schönsteiner, Martin Murer Bild 12: Gesamtlayout der Wertstoffaufbereitung Die Auslegungsphilosophie folgt dem Gedanken einer Zusammenführung aller Produkte in zentralen Bereichen und der maximalen Wertstoffausbringung. Die Zugänglichkeit der Funktions- und Separationsmaschinen kann über Hubsteiger und Krananlagen leicht realisiert werden. Die NE-Abscheidung erfolgt durch den Einsatz von Wirbelstromscheider-Kaskaden mit dem Vorteil einer redundanten Aufbereitung der Restfraktion. Durch diese modulare Anordnung wird die Minimierung von NE- Verlusten bei gleich bleibender Qualität gewährleistet. Die erzielbaren Rückgewinnungsraten für Fe- und NE-Metalle der Aufbereitung zeigen deutliche Vorteile gegenüber den erreichbaren Rückgewinnungsraten von Aufbereitungskonzepten nasser Rostschlacken, Bild 13. Rückgewinnungsrate % Durchschnitt DE 85 nasser Schlackenaustrag Dänische Industrieanlage Fe-Metalle 61 Martin Schlackenaufbereitung trockener Schlackenaustrag NE-Metalle > { 0 Bild 13: Rückgewinnungsrate von Fe-/ NE-Metallen für nassen/trockenen Schlackenaustrag Quellen: Allegrinia, E.; Marescaa, A.; Olssona, M.E.; Holtzeb, M.S.; Boldrina, A.; Astrupe, T.F.: Quantification of the resource recovery potential of municipal solid waste insineration bottom ashes. In: Waste Management, Volume 34, Issue 9, September 2014, S Kuchta, K.; Enzer, V.: Metallrückgewinnung aus Rostaschen aus Abfallverbrennungsanlagen Bewertung der Ressourceneffizienz. EdDE Dokumentation 17, Oktober 2015 Die Rückgewinnungsrate steigt für Fe-Metalle von etwa 83 Prozent auf über 90 Prozent, für NE-Metalle zeigt sich eine Steigerung der Rückgewinnungsrate von etwa 30 Prozent. Obwohl sich die klassischen Nassaufbereitungsverfahren in den letzten Jahren 18

18 Abfallverwertung mit hoher Energieeffizienz und integrierter Wertstoffrückgewinnung erheblich in Bezug auf Metallausbeute sowie -qualitäten verbessert haben, ermöglicht der trockene Schlackenaustrag einen zusätzlichen wirtschaftlichen Vorteil in Bezug auf Rückgewinnung im feinen Korngrößenbereich und bei der Metallreinheit. Anlagen Die Wirtschaftlichkeitsrechnung zeigt diesen Vorteil der Aufbereitung sehr deutlich, Bild 14. IRR % Durchsatz t/a Referenz NE-Preis NE-Metallpreis + 10 % NE-Metallpreis - 10 % Bild 14: Kapitalverzinsung (IRR) der Aufbereitung mit Sensitivitätsanalyse Die erzielbaren Kapitalverzinsungen sind über dem Durchsatz der trockenen Schlacke für drei Fälle von erzielbaren NE-Marktpreisen aufgetragen. Für Durchsatzleistungen von t/a bis t/a aufzubereitender Trockenschlacke ergeben sich attraktive Kapitalverzinsungen von 10 Prozent bis fast 50 Prozent. Eine weitere Verbesserung der Anlagenwirtschaftlichkeit lässt sich durch eine zentrale Aufbereitung der Wertstoffe mit vorhergehender dezentraler Voraufbereitung der Trockenschlacke durch Staubentfrachtung und Windsichtung der Rostschlacken erreichen. Die zentrale Aufbereitung für einen Verbund aus Abfallverbrennungsanlagen führt zu Fixkostendegression und Effizienzgewinnen und stellt eine weitere Lösung neben der integrierten Verwertung und Aufbereitung an einem Standort dar. Ein mögliches Verbundkonzept ist in Bild 15 dargestellt. Die Metallseparation sowie die Aufbereitung der mineralischen Schlackenfraktion werden nicht an der MVA selbst, sondern in einer großen, zentralen Aufbereitungsanlage durchgeführt, die von mehreren Abfallverbrennungsanlagen mit Trockenentschlackung beliefert wird. So können die Effekte des Economy of Scale bei Logistik, Betrieb, Produktion und Verkauf optimal genutzt werden. Ein solcher Verbund existiert bereits in der Schweiz im Kanton Zürich. Dort werden bisher t/a trockene Schlacken aus 4 verschiedenen Anlagen zentral aufbereitet. 19

19 Anlagen Axel Hanenkamp, Robert von Raven, Max Schönsteiner, Martin Murer Bild 15: Konzept einer zentralen Trockenschlackenaufbereitung Das entwickelte integrierte Wertstoffaufbereitungskonzept mittels der Trockenentschlackung ist ein technisch und wirtschaftlich sehr attraktives Konzept. Seine Modularität ermöglicht eine Anpassung an die wirtschaftlichen Notwendigkeiten der Kunden. Eine zentrale Schlackenaufbereitung zur Steigerung der Durchsätze mit vorgeschalteten dezentralen Trockenschlackenaufbereitungsstufen verbessert nochmals die Anlagenwirtschaftlichkeit der Aufbereitungsanlage. 3. Zusammenfassung Die Märkte der Zukunft für die Verwertung von Restabfällen werden einerseits geprägt sein von der Optimierung aller Systeme und Kreisläufe um die höchstmögliche Effizienz der Anlagen zu erreichen sowie andererseits von nachhaltigen und ressourcenschonenden Konzepten der Verwertung. Diesen Markterfordernissen stellt sich das Unternehmen mit der Entwicklung eines High-Efficiency-Kraftwerks zur Erreichung von Wirkungsgraden von über 35 Prozent (netto). Als einen weiteren Baustein in der Kette eines Gesamtkonzeptes der Abfallverwertung und Wertstoffaufbereitung aus Reststoffen wird ein validiertes Anlagenkonzept zur Wertstoffaufbereitung aus trockener Rostschlacke angeboten. Dieses weist die folgenden Vorteile auf: Kein Austrag feuchter Schlacke, Gewichtsreduzierung um den Feuchtegehalt, deutliche Reduzierung der Abgabe- und Transportkosten Deutlich gesteigerte Ausbeute von NE-Metallen mit Trockenschlacke möglich Keine Lagerung/Alterung der Schlacken notwendig Vorentstaubte, trockene Schlacke erhöht die Abscheideeffizienz und reduziert signifikant den Reinigungs- und Wartungsaufwand der Abscheideaggregate Ein einziger, metallhaltiger Stoffstrom wird in der Aufbereitung behandelt 20

20 Abfallverwertung mit hoher Energieeffizienz und integrierter Wertstoffrückgewinnung Verfahrenstechnischer und apparativer Aufwand analog Nassschlackenaufbereitung, damit deutliche Senkung der Investitionssumme Eine Umstellung von bestehenden Aufbereitungsanlagen für Nassschlacke auf die Metallrückgewinnung aus trockenen Rostschlacken ist problemlos möglich. Wirtschaftlichstes Konzept, attraktiver Kapitalwert und Verzinsung. Anlagen Damit ist dieses integrierte Gesamtkonzept zur Abfallverwertung und Wertstoffaufbereitung zukunftsfähig und erfüllt alle Erfordernisse zukünftiger globaler Märkte. 4. Literatur [1] Allegrinia, E.; Marescaa, A.; Olssona, M.E.; Holtzeb, M.S.; Boldrina, A.; Astrupe, T.F.: Quantification of the resource recovery potential of municipal solid waste insineration bottom ashes. In: Waste Management, Volume 34, Issue 9, September 2014, S [2] Blatter, E.; zur Mühlen, M.; Langhein, E.-C.: Die praktische Umsetzung der Trockenentschlackung. In: Thomé-Kozmiensky, K.J. (Hrsg.): Mineralische Nebenprodukte und Abfälle. Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2014, S [3] Blatter, E.; Langhein, E.-C.; zur Mühlen, M.; Weber, T.: Erfahrungen mit trockenen Schlacken an der KVA Monthey. VDI Wissensforum, Düsseldorf 2013 [4] Bunge, R.: Recovery of metals from waste incinerator bottom ash. pdf, 2016 [5] Dehoust, G.; Schüler, D.; Bleher, D.; Seum, S.; Süß, K.; Idelmann, M.; Turk, T.; Wöbbeking, K.; Wollny, V.; Schaubruch, W.: Optimierung der Abfallwirtschaft in Hamburg unter besonderen Aspekt des Klimaschutzes, Abfallwirtschaft und Klimaschutz. Öko-Institut e.v., 2008 [6] Europäischen Union: Richtlinie 2008/98/EG (Abfallrahmenrichtlinie AbfRRL) [7] European Parliament: Industrial Emissions Directive, IED, 2010 [8] European Parliament, Council: Directive 2008/98/EC: Waste Framework Directive [9] Gohlke, O.; Koralewska, R.: Feuerungstechnische Maßnahmen zur NO x -Reduzierung in Abfallverbrennungsanlagen Very Low NO x -Verfahren. In: Thomé-Kozmiensky, K.J.; Beckmann, M. (Hrsg.): Energie aus Abfall, Band 9. Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2012, S [10] Keunecke, M.; Mengede, F.-J.; Energie aus Abfall Steigerung der Energieeffizienz als Treiber für Neu- und Umbau von Energie-aus-Abfall-Anlagen. In: Thomé-Kozmiensky, K.J.; Beckmann, M. (Hrsg.): Strategie, Planung, Umweltrecht, Band 10. Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé- Kozmiensky, 2016, S [11] Koralewska, R.: Rostschlacken intelligent trocken austragen. In: UmweltMagazin [12] Kuchta, K.; Enzer, V.: Metallrückgewinnung aus Rostaschen aus Abfallverbrennungsanlagen Bewertung der Ressourceneffizienz. EdDE Dokumentation 17, Oktober 2015 [13] Lechner, P.; Mostbauer, P. et al.: Grundlagen für die Verwertung von MV Rostasche, Teil B: Aufbereitung und Innovationen. b9a1-b3b5ffe5630a/boku_grundsatz_teil_a_rostasche.pdf, 2010 [14] Martin, J.J.E.; Horn, J.; Gohlke, O.: Verfahren zur Verbrennungsgaszuführung [15] Martin, J.J.E.; Koralewska, R.; Wohlleben, A.: Advanced solutions in combustion-based WtE technologies. In: Waste Management , S

21 Anlagen Axel Hanenkamp, Robert von Raven, Max Schönsteiner, Martin Murer [15] Murer, M.: Numerical Methods for efficient power generation from municipal solid waste. Dissertation Technische Universität München, 2014 [16] Nachreiner, S.; Trößmann-Göll, M.; Dräger, R.: Moderne Überhitzerkonzepte für Müllverbrennungsanlagen. VGB PowerTech 9, 2015, S [17] Quicker, P.; Stockschläder, J. et al.: Möglichkeiten einer ressourcenschonenden Kreislaufwirtschaft durch weitergehende Gewinnung von Rohstoffen aus festen Verbrennungsrückständen aus der Behandlung von Siedlungsabfällen. Bericht UBA-FB , 2016 [18] Reimann, D.O., CEWEP, Energy report, 2006 [19] Reuter, M.A.; Hudson, C.; van Schaik, A.; Heiskanen, K.; Meskers, C.; Hagelüken, C.: UNEP Metal Recycling: Opportunities, Limits, Infrastructure. A Report of the Working Group on the Global Metal Flows to the International Resource Panel, 2013 [20] Seiler, U.: Energetisches Optimierungspotential bei Abfallverbrennungsanlagen. In: Thomé- Kozmiensky, K.J.; Beckmann, M. (Hrsg.): Optimierung der Abfallverbrennung 2. Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2005, S [21] Van Berlo, M.A.; Wandschneider, J.: Value from waste: Waste fired powerplant the new standard for recovery of sustainable energy, metals and building materials from urban waste. Amsterdam and The Netherlands: Afvalenergiebedrijf, the city of Amsterdam, 2006 [22] Wandschneider, J.: Netto-Wirkungsgrad elektrisch größer dreißig Prozent Grundsätzliche Potentiale in Abfallverbrennungsanlagen. In: Thomé-Kozmiensky, K.J.; Beckmann, M. (Hrsg.): Energie aus Abfall, Band 7. Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2010, S