DE102014006630B4 - Process for the safe disposal of power plant residues from thermal combustion of fossil fuels - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur auslaugsicheren Entsorgung von Kraftwerksrückständen aus thermischer Verbrennung fossiler Brennstoffe, wobei als Kraftwerksrückstände Aschen aus einer Verbrennung von Braunkohle verwendet werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur auslaugsicheren Entsorgung von Kraftwerksrückständen aus thermischer Verbrennung fossiler Brennstoffe zu entwickeln, welches eine sichere, vollständige, schnelle und auslaugsichere Möglichkeit bietet, schadstoffbelastete Kraftwerksrückstände zu lagern. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass eine kalkreiche Braunkohlenfilterasche (BFA) mit einem Freikalkgehalt von 8 bis 10 M-% zusätzlich durch eine Beimischung von noch kalkreicheren Wirbelschichtaschen (WSA) mit einem Anteil von 5 bis 20 M-% und einem Freikalkgehalt von 11 bis 25 M-% in einem zweistufigen Verfahren derart aktiviert wird, dass die temperaturentwickelnde Löschungsreaktion und die verfestigende Phasenbildungsreaktionen sowohl zeitlich als auch räumlich voneinander getrennt werden, wobei • in einer ersten Stufe das Aschegemisch je nach vorliegendem Freikalkgehalt mit Anmachwasser in einer Größenordnung von 3 bis 18 M-% der jeweiligen Aschemenge vermischt wird, dass bei einer optimalen Lagerungsdichte der Aschepartikel eine vollständige Ausfüllung des verbleibenden Porenraumes erreicht wird, • wobei das Gemisch anschließend zwischengelagert wird und • in einer zweiten Stufe mittels Nachmischung so gemischt wird, dass das entstehende Gemisch nach Durchlaufen der zweiten Stufe einen Wassergehalt von 1 bis 25 Ma-% der Aschemenge in Abhängigkeit von der vorliegenden Korngrößenverteilung aufweist und ein Stabilisat hergestellt wird, welches eine qualitätsgerechte Einbaukonsistenz des Mischgutes sicherstellt, wobei der Einbauwassergehalt des Gemisches in einen Deponieraum über dem Wert des bodenmechanisch relevanten Proctorgehaltes eingestellt wird, und gefügeverfestigende sowie -verdichtende Reaktionsprozesse unter den Bedingungen niedrig-hydrothermaler Syntheseprozesse geschaffen werden, wobei das erdfeucht eingebrachte Gemisch nach einem zusätzlichen Verdichtungsvorgang beim Einbau als Deponiekörper in Form monolithischer Gefügekörper (Monokörper) hergestellt wird.The invention relates to a method for the foreign waste disposal of power plant residues from thermal combustion of fossil fuels, being used as power plant residues ashes from a combustion of lignite. The invention has for its object to develop a method for the foreign waste disposal of power plant residues from thermal combustion of fossil fuels, which provides a safe, complete, fast and auslaugsichere possibility to store polluted power plant residues. This is inventively achieved in that a lime-rich lignite filter ash (BFA) with a free lime content of 8 to 10 M% additionally by an admixture of even lime-rich fluidized bed ash (WSA) with a share of 5 to 20 M% and a free lime content of 11 to 25 M-% is activated in a two-stage process such that the temperature-developing quenching reaction and the solidifying phase formation reactions are separated both temporally and spatially, wherein • in a first stage, the ash mixture depending on the present free lime content with mixing water in the order of 3 to 18 M% of the respective amount of ash is mixed, that with an optimal storage density of the ash particles, a complete filling of the remaining pore space is achieved, • the mixture is then stored and • mixed in a second stage by means of mixing so that the resulting mixture according to D Run the second stage, a water content of 1 to 25% by mass of the amount of ash depending on the present particle size distribution and a stabilizer is prepared, which ensures a quality-consistent installation consistency of the mix, the built-in water content of the mixture in a landfill space above the value of soil mechanical relevant Proctorgehaltes is set, and structure strengthening and -compacting reaction processes under the conditions of low-hydrothermal synthesis processes are created, the earth-moist introduced mixture after an additional compaction process when installed as landfill body in the form of monolithic microstructure bodies (monobody) is produced.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur auslaugsicheren Entsorgung von Kraftwerksrückständen aus thermischer Verbrennung fossiler Brennstoffe, wobei als Kraftwerksrückstände Aschen aus einer Verbrennung von Braunkohle verwendet werden.The invention relates to a method for the foreign waste disposal of power plant residues from thermal combustion of fossil fuels, being used as power plant residues ashes from a combustion of lignite.
Moderne Braunkohlekraftwerke werden nur noch mit Rauchgasentschwefelungsanlagen (REA) betrieben. Will man hohe Entschwefelungsgrade erreichen, ist der Einsatz einer Nassentschwefelung unerlässlich. Als Reststoffe eines derartigen Kraftwerksbetriebes fallen letztendlich die unterschiedlichsten Aschen sowie feste und flüssige Rückstände der Rauchgasentschwefelung an, die entsprechend den gesetzlichen Bestimmungen zu entsorgen sind. Derartige Entsorgungen sind für den Kraftwerksbetreiber kostenintensiv.Modern lignite-fired power plants are only operated with flue gas desulphurisation plants (REA). If you want to achieve high levels of desulfurization, the use of a wet desulfurization is essential. The residues of such a power plant operation ultimately fall to a variety of ashes and solid and liquid residues of the flue gas desulfurization, which are to dispose of according to the legal provisions. Such disposals are costly for the power plant operator.
Aus der
Die
Auch bei der
Ein sehr ähnliches Verfahren beschreibt die
Ein Verfahren zum Herstellung eines Ersatzbaustoffes und zur Abdeckung von Deponien beschreibt die
Die
Eine ähnliche Anlage wird in der
Eine Aufbereitungsanlage zur Aufbereitung und Verwertung der Flugasche aus Kraftwerken, insbesondere der Flugasche aus Elektrofiltern, aus Nassabscheidern etc. beschreibt die
Die
In der
- 1. Es findet eine Dispergierung des Gemisches aus zwei Filteraschen oder deren Komponenten mit einem hohen Wasseranteil statt.
- 2. Es findet keine Zwischenlagerung der Dispersion statt (Reaktionszeit).
- 3. Das Verfahren ist schwer nacharbeitbar und kompliziert handhabbar.
- 1. There is a dispersion of the mixture of two filter bags or their components with a high water content instead.
- 2. There is no intermediate storage of the dispersion (reaction time).
- 3. The process is difficult to reproduce and complicated to handle.
Die
Alle bekannten Verfahren zur Deponierung von Aschen weisen folgende Nachteile auf:
- • die Ablöschung von kalkhaltigen BFA ist oft zeitaufwendig und kostenintensiv
- • derartige Aschen neigen unter Wassereinwirkung zu heftigen hydraulischen Reaktionen mit massiven Wärmeentwicklungen und anschließenden Treiben, sodass in der Regel keine auslaugsichere Lagerung möglich ist
- • die Zugabe von Zusatzmitteln, wie Hüttensand, REA-Gips, REA-Prozesswässern, Klärschlamm etc. macht eine Ablöschung noch schwieriger und die Reaktionen noch komplexer
- • es liegen in der Regel dann Festkörper vor, die aufgrund der unkontrollierten Volumenzunahme der Asche nach Wasserkontakt eine heftige Riss- und Bruchbildung aufweisen, so dass entweder ein trockenes, abgelöschtes Schüttgut mit hohen Restkalkgehalten oder ein zerstörter Festkörper (ebenfalls mit unreagierten Freikalk-Anteilen) vorliegt
- • the deletion of calcareous BFA is often time consuming and costly
- • Such ashes tend to violent hydraulic reactions when exposed to water with massive heat and subsequent drift, so that usually no auslaugsichere storage is possible
- • the addition of additives such as blastfurnace slag, REA gypsum, REA process water, sewage sludge, etc. makes extinguishing even more difficult and the reactions even more complex
- • there are then usually solid, which have due to the uncontrolled increase in volume of ash after contact with water a violent cracking and breakage, so that either a dry, extinguished bulk material with high lime content or a destroyed solid (also with unreacted free lime content) present
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur auslaugsicheren Entsorgung von Kraftwerksrückständen aus thermischer Verbrennung fossiler Brennstoffe zu entwickeln, welches eine sichere, vollständige, schnelle und auslaugsichere Möglichkeit bietet, schadstoffbelastete Kraftwerksrückstände zu lagern.The invention has for its object to develop a method for the foreign waste disposal of power plant residues from thermal combustion of fossil fuels, which provides a safe, complete, fast and auslaugsichere possibility to store polluted power plant residues.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass
- eine kalkreiche Braunkohlenfilterasche (BFA) mit einem Freikalkgehalt von 8 bis 10 M-% zusätzlich durch eine Beimischung von noch kalkreicheren Wirbelschichtaschen (WSA) mit einem Anteil von 5 bis 20 M-% und einem Freikalkgehalt von 11 bis 25 M-% in einem zweistufigen Verfahren derart aktiviert wird, dass die temperaturentwickelnde Löschungsreaktion und die verfestigende Phasenbildungsreaktionen sowohl zeitlich als auch räumlich voneinander getrennt werden, wobei
- • in einer ersten Stufe das Aschegemisch je nach vorliegendem Freikalkgehalt mit Anmachwasser in einer Größenordnung von 3 bis 18 M-% der jeweiligen Aschemenge vermischt wird, dass bei einer optimalen Lagerungsdichte der Aschepartikel eine vollständige Ausfüllung des verbleibenden Porenraumes erreicht wird,
- • wobei das Gemisch anschließend zwischengelagert wird und
- • in einer zweiten Stufe mittels Nachmischung so gemischt wird, dass das entstehende Gemisch nach Durchlaufen der zweiten Stufe einen Wassergehalt von 1 bis 25 Ma-% der Aschemenge in Abhängigkeit von der vorliegenden Korngrößenverteilung aufweist und ein Stabilisat hergestellt wird, welches eine qualitätsgerechte Einbaukonsistenz des Mischgutes sicherstellt, wobei der Einbauwassergehalt des Gemisches in einen Deponieraum über dem Wert des bodenmechanisch relevanten Proctorgehaltes eingestellt wird, und gefügeverfestigende sowie -verdichtende Reaktionsprozesse unter den Bedingungen niedrig-hydrothermaler Syntheseprozesse geschaffen werden, wobei das erdfeucht eingebrachte Gemisch nach einem zusätzlichen Verdichtungsvorgang beim Einbau als Deponiekörper in Form monolithischer Gefügekörper (Monokörper) hergestellt wird.
- a lime-rich lignite filter ash (BFA) with a free lime content of 8 to 10 M% additionally by an admixture of even lime-rich fluidized bed ash (WSA) with a share of 5 to 20 M% and a free lime content of 11 to 25 M% in a two-stage Method is activated so that the temperature-developing quenching reaction and the solidifying phase formation reactions are separated both temporally and spatially, wherein
- In a first stage, the ash mixture, depending on the free lime content present, is mixed with mixing water of the order of 3 to 18% by weight of the respective amount of ash so that complete filling of the remaining pore space is achieved with an optimum storage density of the ash particles;
- • wherein the mixture is then stored and
- Is mixed in a second stage by means of subsequent mixing so that the resulting mixture after passing through the second stage has a water content of 1 to 25% by mass of the amount of ash depending on the present particle size distribution and a stabilizer is prepared, which is a quality-consistent installation consistency of the mix ensures, wherein the built-in water content of the mixture is set in a landfill space above the value of soil mechanically relevant Proctorgehaltes, and fabric strengthening and compression reaction processes under the conditions of low-hydrothermal synthesis processes are created, the earth-moist introduced mixture after an additional compression process when installed as landfill body in Form monolithic microstructure body (monobody) is produced.
Der Freikalk stellt die Hauptkomponente des reaktiven Anteils der Asche dar und ist daher aufgrund seiner im Vergleich zu den übrigen Bestandteilen sehr hohen hydraulischen Reaktivität und den damit verbundenen Erscheinungen (Wärmeentwicklung, Volumenzunahme) bestimmend für das initiale Reaktionsverhalten der Asche bei Kontakt mit Wasser.The free lime represents the main component of the reactive portion of the ash and is therefore due to its compared to the other components very high hydraulic reactivity and the associated phenomena (heat development, volume increase) determining the initial reaction behavior of the ash in contact with water.
Die in der ersten Verfahrensstufe während der Reifung ablaufenden Reaktionen beschränken sich im Wesentlichen auf die Umsetzung:
- • des Freikalks
- • des Tricalciumaluminats und
- • des Yeelimits,
- a. die steigende Löslichkeit und zunehmende Reaktionsgeschwindigkeit des Freikalks,
- b. die beschleunigte Verdampfung des zum Freikalklöschen notwendigen freien Wassers im Reaktions-Gemisch
- • the free lime
- • tricalcium aluminate and
- • the Yeelimit,
- a. the increasing solubility and increasing reaction rate of the free lime,
- b. the accelerated evaporation of the free water necessary for free water in the reaction mixture
Da die Reaktion a. zudem abhängig ist von weiteren chemischen und physikalisch beeinflussten Zuständen des Freikalks (Brenntemperatur, Korngröße, chemische Zusammensetzung bzw. Reinheit), ist in der Regel der erforderliche Zeitraum für einen vollständigen Freikalkumsatz länger als jener für die Verdampfung des in der Mischung befindlichen Wassers, das heißt das abgelöschte Aschematerial ist trotz Wasserüberschuss (bezogen auf den stöchiometrisch für die Löschreaktion notwendigen Wasserbedarf) trocken, bevor der Freikalk restlos hydratisiert ist. Ein stärkerer Wasserüberschuss reduziert zwar die Temperaturentwicklung im Asche-Wasser-Gemisch, ändert damit aber auch die Bildungsbedingungen für die ablaufenden Hydratphasenkristallisation sowie Konsistenz- und damit Porenverhältnisse des Materials. Die Folge wären rasch ablaufende, stark verfestigende Reaktionen (Ettringitbildung), die, beschleunigt durch die erhöhten Temperaturen, zu einer steinartigen Erhärtung des Materials führen und in dieser Form erst zu jenem Zeitpunkt erwünscht sind, wenn das Asche-Wasser-Gemisch den gesamten Verfahrensprozess durchlaufen hat und in der beabsichtigten Form endgelagert wurde. Auch diese Reaktionen wären abgeschlossen, bevor der Freikalk vollständig hydratisiert ist. Alle weiteren, aufgrund des noch verfügbaren Wassers möglichen Reaktionen liefen ab diesem Zeitpunkt praktisch in einem Festkörper ab, der auf die damit verbundenen Volumenzunahmen mit Riss- und Bruchbildung reagieren würde. Im Ergebnis beider Reaktionsvorgänge läge die Asche bei einer einmaligen Wasserzugabe in Abhängigkeit von der zugesetzten Wassermenge entweder als
- • trockenes, abgelöschtes Schüttgut mit hohen Restfreikalkgehalten oder
- • zerstörter Festkörper (ebenfalls mit unreagierten Freikalk-Anteilen) vor.
- • dry, quenched bulk material with high residual free chalk content or
- • destroyed solid (also with unreacted free lime content).
Im Rahmen aufwendiger Versuchsserien wurde überraschend herausgefundenen, dass eine hohe Freikalkablöschung im Rahmen des erfindungsgemäßen zweistufigen Verfahrens dann auftritt, wenn in der ersten Stufe die temperaturentwickelnde Löschreaktion und die verfestigende Phasenbildungsreaktion sowohl zeitlich, als auch räumlich voneinander getrennt wurden. Um dies zu gewährleisten, ist es notwendig, die angefeuchtete, reagierende Asche in einem System zu lagern, welches eine längere Verweildauer und damit Kontaktzeit des Anmachwassers mit dem Freikalk sicherstellt. Die zweite Stufe des Verfahrens muss entsprechend der angestrebten materialtechnologischen Eigenschaften des verfestigten Endproduktes (Stabilisat) eine qualitätsgerechte Einbaukonsistenz des Mischgutes sicherstellen.In the context of elaborate series of experiments, it has surprisingly been found that a high free-lime quench occurs within the scope of the two-stage process according to the invention if the temperature-developing quenching reaction and the solidifying phase-forming reaction were separated in time and space from each other in the first stage. To ensure this, it is necessary to store the moistened, reacting ash in a system, which ensures a longer residence time and thus contact time of the mixing water with the free lime. The second stage of the process must ensure a quality-consistent installation consistency of the mixed material in accordance with the desired material technology properties of the solidified end product (stabilizer).
Durch die verfahrenstechnische Trennung von Ablösch- und Verfestigungsprozess verlagern sich die gefügebildenden Hydratationsreaktionen im Wesentlichen auf jenen Zeitraum nach Endversatz des Mischgutes. Zu diesem Zeitpunkt muss das Material alle jene Merkmale aufweisen, die es befähigen, zu einem langzeitstabilen Produkt mit den erforderlichen Gebrauchseigenschaften auszuhärten. Die Reaktionsmechanismen werden in diesem Stadium vor allem durch Temperatur- und Druckverhältnisse, resultierend aus:
- • dem Einbauwassergehalt
- • der Einbautemperatur
- • den Umgebungseinflüssen
- • den Hydratationswärmeentwicklungen
- • the built-in water content
- • the installation temperature
- • the environment
- • the hydration heat developments
Das erfindungsgemäße Asche-Wasser-Gemisch stellt ein chemisch wirkendes, dynamisches, zeitveränderliches System dar, dessen Dichtungs- und Festigkeitseigenschaften sich mit fortschreitender Zeit ständig verbessert, da die Erhärtungsvorgänge sich unter fortschreitender Bildung neuer kristalliner oder amorpher Phasen, die sich aus den in Bezug auf diese Phasen gesättigten Porenlösungen ausscheiden, vollziehen. Dabei gehen die bodenmechanischen Eigenschaften mit zunehmendem Alter zugunsten einer betonähnlichen Verfestigung und Verdichtung vollständig verloren. Zum Zeitpunkt, an welchem das Asche-Wasser-Gemisch als Stabilisat über die günstigsten Gebrauchseigenschaften verfügt, liegt es als starres Festkörpersystem vor, dessen Verformungsverhalten ausschließlich Elastizitätscharakter trägt.The ash-water mixture according to the invention is a chemically active, dynamic, time-varying system whose sealing and strength properties are constantly improving as time progresses, since the hardening processes are accompanied by the progressive formation of new crystalline or amorphous phases resulting from those described with reference to FIG these phases excrete saturated pore solutions, perform. The soil mechanical properties are completely lost with increasing age in favor of a concrete-like consolidation and compaction. At the time when the ash-water mixture has the best performance properties as a stabilizer, it is available as a rigid solid-state system whose deformation behavior is exclusively elastic.
Diese Phasenneubildungen sind neben der rein physikalischen, der zunehmenden Gefügedichtigkeit geschuldeten Eluationsreduzierung, aufgrund ihres spezifischen Chemismus ursächlich verantwortlich für das Schadstoffimmobilisierungsvermögen des Aschestabilisates im eigentlichen Sinne einer kristallchemischen Fixierung. Voraussetzung für eine ausreichende Reduktion der Porosität im Zuge der Verfestigung ist dabei die größtmögliche Wassersättigung des Porenraumes, da die verdichtend (und verfestigend) wirkenden Hydratphasenbildungsprozesse ausschließlich in der wässrigen Phase ablaufen. Es wurde herausgefunden, dass alle zum Zeitpunkt des Einbau-Endes verbleibenden Luftporen auch nach Aushärtung des Gemisches zu einem Festkörper (Stabilisat) im vollen Umfang erhalten bleiben und nur durch nachträgliche Wasserzufuhr wieder reaktivierbar sind. Aus diesem Grunde ist zur Erzielung maximaler Materialeigenschaften ein Wassergehalt erforderlich, der bei optimaler Lagerungsdichte der Aschpartikel nach Einbau bzw. Verdichtung den verbleibenden Porenraum vollständig ausfüllt. Der Porenraum muss ausreichen, alle Kristallisationen und die damit verbundenen Kristallisationsdrücke spannungs- und expansionsfrei aufzunehmen. Dazu ist es notwendig, dass der Einbauwassergehalt über dem Wert des bodenmechanisch relevanten Proctorgehaltes liegt. Durch Überführung des Systems in einen Zwängungszustand durch Aufbringen entsprechend dimensionierter Auflasten, kann einer Rissbildung entgegengewirkt werden. Die Auflast muss innerhalb von 24 Stunden fertig gestellt sein und hat die doppelte Höhe der zu beschwerenden Einbaulage zu erreichen. Eine im Raster 25 × 25 m eingebaute 1 m hohe Lage, ist mit 2 m Höhe abzudecken, so dass in der ersten Lage 1.000 t Asche eingebaut werden, die dann mit ca. 2.000 t Asche abzudecken sind. Die bekannten bodenmechanischen Beziehungen zwischen initialem Verdichtungsgrad und Gefügedichtigkeit ist auf hydraulisch reagierende Systeme nicht übertragbar. Hohe Verdichtungsgrade des eingebauten Asche-Wasser-Frischgemisches ziehen keinesfalls hohe Gefügedichtigkeiten und damit geringe Wasserdurchlässigkeiten des Stabilisates zwingend nach sich. Die in diesem Zeitraum ablaufenden Reaktionen wirken nur verdichtend, solange die neu gebildeten Strukturen nach innen gerichtet kristallisieren, das heißt die Porenräume verschließen. Ist dieser Raum nicht mehr vorhanden, wirken sie ausschließlich expansiv nach außen, gefügeauflockernd und der ursprünglichen Verdichtung beim Einbau entgegen. Ein sehr hoher Verdichtungsgrad für stark reagierende Systeme reduziert zwar primär den verfügbaren Porenraum, führt allerdings nachfolgend im Reaktionsverlauf zu einer wesentlich stärkeren sekundären Gefügeaufweitung, also zum nicht erwünschten Treiben.In addition to the purely physical elution reduction due to the increasing structure density, these new phases are, due to their specific chemistry, causally responsible for the pollutant immobilization capacity of the ash stabilizer in the true sense of a crystal chemical fixation. Prerequisite for a sufficient reduction of porosity in the course The solidification is the greatest possible water saturation of the pore space, since the condensing (and solidifying) hydrate phase formation processes proceed exclusively in the aqueous phase. It has been found that all remaining at the time of installation end air pores are retained even after curing of the mixture to a solid (stabilizer) in full and can only be reactivated by subsequent water supply. For this reason, a water content is required to achieve maximum material properties, which completely fills the remaining pore space with optimum storage density of the ash particles after installation or compression. The pore space must be sufficient to absorb all crystallizations and the associated crystallization pressures without stress and expansion. For this purpose, it is necessary that the built-in water content is above the value of the soil mechanically relevant Proctorgehaltes. By transferring the system into a constrained state by applying appropriately sized loads, crack formation can be counteracted. The ballast must be completed within 24 hours and has to reach twice the height of the mounting position to be weighted. A 1 m high layer installed in a 25 x 25 m grid must be covered with a height of 2 m so that 1,000 t of ash are installed in the first layer and then covered with approx. 2,000 t of ash. The known soil mechanical relations between initial degree of compaction and structure tightness is not transferable to hydraulically responsive systems. High densities of the built-ash-water-fresh mixture under any circumstances pull high leaks and thus low water permeability of the stabilizer necessarily after. The reactions taking place during this period only have a compressive effect, as long as the newly formed structures crystallize inwards, ie close the pore spaces. If this room is no longer available, they only act expansively to the outside, joint-loosening and contrary to the original compaction during installation. Although a very high degree of compaction for strongly reacting systems primarily reduces the available pore space, it subsequently leads, in the course of the reaction, to a considerably greater secondary expansion of the microstructure, that is to say undesired drifting.
Es wurde gefunden, dass das herzustellende Aschestabilisat dabei als künstlich geschaffener Festkörper, der die Eigenschaften eines geogenen diagenetisch verfestigten Sedimentgesteins mit denen eines technogen produzierten Zementmörtels verbindet, zu betrachten ist.It has been found that the ash stabilizer to be produced is considered to be an artificially created solid which combines the properties of a geogenic diagenetically solidified sedimentary rock with those of a technogenously produced cement mortar.
Aufgrund der schadstoffimmobilisierenden Eigenschaften der hydraulisch gefügeverfestigenden und -verdichtenden Reaktionsprozesse wirkt der gesamte Aschenkörper als Schadstoffdurchsickerungsbarriere. Der zentrale Aschenkörper und eventuell separat angelegte Ascheschichten (Deponiebasis, Deckeldichtung) bilden ein stofflich identisches System, in welchem die zirkulierenden oder durchströmenden Lösungen mit dem umgebenden Aschematerial chemisch im Gleichgewicht stehen – ein Konzentrationsgefälle von Schadstoffen innerhalb des erfindungsgemäßen Aschenkörpers existiert nicht – so dass für den Stoffaustrag aus diesem System lediglich das Eigenelutionsverhalten des Aschestabilisates maßgeblich ist.Due to the pollutant-immobilizing properties of the hydraulic bond strengthening and compacting reaction processes, the entire ash body acts as a pollutant leakage barrier. The central ash body and possibly separately applied ash layers (landfill base, lid seal) form a materially identical system in which the circulating or flowing solutions are chemically in equilibrium with the surrounding ash material - a concentration gradient of pollutants within the ash body according to the invention does not exist - so that for the Material discharge from this system only the Eigenelutionsverhalten the ash stabilizer is relevant.
Der erfindungsgemäße Aschenkörper ist daher in seiner Gesamtheit als monolithischer Gefügeverband zu betrachten.The ash body according to the invention is therefore to be regarded in its entirety as a monolithic microstructure.
Aufgrund der stofflichen Identität des herzustellenden Deponiekörpers und gesondert anzulegender Teilschichten laufen in beiden Bereichen gleichartige exotherme Hydratationsprozesse ab, die vergleichbar mit wärmefreisetzenden Abbinde- und Erhärtungsvorgängen im Zement- oder Betonsektor sind. Höhe und Verlauf der dabei auftretenden Temperaturen bestimmen wesentlich den chemischen Charakter der ablaufenden Reaktionsvorgänge sowie die Stabilität der gebildeten Hydratationsprodukte.Due to the material identity of the landfill body to be produced and sublayers to be applied separately, similar exothermic hydration processes take place in both areas, which are comparable to heat-releasing setting and hardening processes in the cement or concrete sector. The amount and course of the temperatures that occur essentially determine the chemical character of the reaction processes taking place and the stability of the hydration products formed.
Beim erfindungsgemäß herzustellenden Stabilisat ist von einer Langzeitwirkung von Temperaturen im Bereich von > 80°C, vorzugsweise 80 bis 100°C nahezu im gesamten Material auszugehen. Die Temperaturen gehen im Inneren des -Aschekörpers dann langsam zurück. Die gefügeverfestigenden und verdichtenden Reaktionsprozesse laufen damit unter Bedingungen niedrig-hydrothermaler Syntheseprozesse ab. Das hohe Wärmespeichervermögen und die guten Isolationseigenschaften des Aschestabilisates sowie die ausgesprochene Langzeitwirkung einiger Phasenbildungsprozesse bewirken eine langfristige Stabilität der vorgegebenen Milieubedingungen, so dass selbst retrograde Abkühlprozesse in Zeiträumen ablaufen werden, die für sich betrachtet ein quasi-statisches (isothermes) Gleichgewicht hinsichtlich der Thermodynamik chemischer Reaktionen darstellt.In the case of the stabilizer to be prepared according to the invention, a long-term effect of temperatures in the range of> 80 ° C., preferably 80 to 100 ° C., is to be assumed almost in the entire material. The temperatures then slowly go back inside the ash body. The microstructure-strengthening and compacting reaction processes thus proceed under conditions of low-hydrothermal synthesis processes. The high heat storage capacity and the good insulation properties of the ash stabilizer and the pronounced long-term effect of some phase formation processes cause a long-term stability of the given environmental conditions, so that even retrograde cooling processes will take place in periods which in themselves have a quasi-static (isothermal) equilibrium with regard to the thermodynamics of chemical reactions represents.
Der Aschenkörper ist damit auch unter dem Blickwinkel physikalischer Einwirkungen als monolithisches Gesamtsystem zu betrachten.The ash body is therefore to be regarded as a monolithic overall system also from the perspective of physical effects.
Vorteile der Erfindung:Advantages of the invention:
- • auslaugsichere, langzeitstabile Entsorgung von Kraftwerksrückständen möglich• Outlet-safe, long-term stable disposal of power plant residues possible
- • keine zusätzlichen Deponiebaumaßnahmen (Sohle, Abdeckung) notwendig, außer des speziellen Einbaus des Materials• no additional landfill measures (sole, cover) necessary, except for the special installation of the material
- • erstmals gefügedichter Monokörper aus verschiedenen Aschen in Form eines betonähnlichen Blockes • For the first time, single-gapped monobodies made of different ashes in the form of a concrete-like block
- • durch Aktivator ist eine schnelle hydraulische und trotzdem beherrschbare Reaktion möglich• Activator enables a fast hydraulic and yet manageable reaction
- • sehr geringe Durchlässigkeiten (Eluationsfähigkeit)• very low permeabilities (eluent ability)
-
• Abbau des in der Asche enthaltenen freien CaO durch die erste Reaktionszeit zwischen Mischstufe 1 und 2• Degradation of the free CaO contained in the ashes through the first reaction time between mixing
stages 1 and 2 - • Herstellung eines selbsterhärtenden Einbaumaterials• Production of a self-hardening installation material
- • komplette Einbindung des zugegebenen Prozess-/Anmachwassers• complete integration of the added process / mixing water
Ausführungsbeispielembodiment
Anhand eines Ausführungsbeispiels soll nachstehend die Erfindung näher erläutert werden.Reference to an embodiment, the invention will be explained in more detail below.
Dabei zeigen:Showing:
Im Rahmen von aufwendigen und langfristigen Untersuchungen wurde gefunden, dass das Reaktionsverhalten von Braunkohlenfilteraschen durch Beimischung von kalkhaltigen Komponenten in Form von Wirbelschichtaschen zugegeben werden können, um das Reaktionsverhalten der Filterasche im Ablösch- und Reifeprozess im hohen Maße zu verbessern und zu beeinflussen. Dies ermöglicht es, Schwierigkeiten im Prozess einer zweistufigen Aufbereitung von Filterasche, die durch das stark verzögerte Reaktionsverhalten der Filterasche verursacht werden, gezielt gegenzusteuern.In the course of extensive and long-term investigations, it was found that the reaction behavior of lignite filter ash can be added by admixing calcareous components in the form of fluidized bed ash in order to greatly improve and influence the reaction behavior of the filter ash in the quenching and maturing process. This makes it possible to specifically counteract difficulties in the process of a two-stage treatment of filter ash, which are caused by the greatly delayed reaction behavior of the filter ash.
Wirbelschichtaschen (WSA) weisen oftmals einen hohen Freikalkgehalt auf, der im Gegensatz zum Freikalk der Filteraschen bereits innerhalb kurzer Zeit nach Zugabe von Wasser unter Wärmefreisetzung reagiert. Da Wirbelschichtaschen jedoch entstehungsbedingt große Anteile an nicht reaktiven Komponenten aufweisen, sind höhere Zugabemengen erforderlich, um einen gewünschten thermischen Effekt zu erreichen.Fluidized bed ash (WSA) often has a high free lime content, which reacts in contrast to the free lime of the filter ash within a short time after addition of water with release of heat. However, since fluidized-bed ash has large amounts of non-reactive components as a result of its formation, higher addition amounts are required in order to achieve a desired thermal effect.
Da bei Wirbelschichtanlagen ein kalkhaltiges Absorbermedium für die Entschwefelung direkt im Verbrennungsraum zugesetzt wird, stellen WSA ein Gemisch aus Asche, Entschwefelungsprodukt und restlichen Additiven dar. Dadurch weisen die WSA grundsätzlich hohe Gehalte an Freikalk und Schwefel (SO3) auf; zudem ist der Freikalk der WSA aufgrund der vergleichsweise geringen Verbrennungstemperaturen hydraulisch sehr reaktiv. Im Gegensatz zur Filterasche weisen die WSA geringe Anteile an Al2O3 und SiO2 auf.Since a calcareous absorber medium for desulfurization is added directly to the combustion chamber in fluidized bed plants, WSA are a mixture of ash, desulfurization product and residual additives. As a result, the WSA always have high levels of free lime and sulfur (SO 3 ); In addition, the free lime of the WSA is hydraulically very reactive due to the comparatively low combustion temperatures. In contrast to the filter ash, the WSA have small amounts of Al 2 O 3 and SiO 2 .
Durch die deutlich höheren Freikalkgehalte (zwischen 11 und 25 Ma-% je nach Herkunft des WSA) im Vergleich zur BFA (ca. 8 Ma-%) erhöht sich der Kalkgehalt im BFA-WSA-Gemisch.The significantly higher free lime content (between 11 and 25% by mass, depending on the source of the WSA) compared to the BFA (about 8% by mass) increases the lime content in the BFA-WSA mixture.
Die Zumischung von WSA in Mengenanteilen von 5 bis 25 Ma-% hat für die untersuchten BFA eine Beschleunigung der Ablöschreaktion und eine Anhebung des dabei erreichten Temperaturmaximums zur Folge. Dabei beeinflussen Menge und Art der WSA in unterschiedlich starkem Maße das Reaktionsvermögen der Filteraschen.The admixture of WSA in proportions of 5 to 25% by mass results in an acceleration of the quenching reaction and an increase in the temperature maximum achieved for the BFA investigated. The amount and type of WSA influence the reactivity of the filter ashes to different degrees.
Die Wasserdurchlässigkeit des Stabilisats muss einen Wert von < 5 × 10–9 m/s erfüllen.The water permeability of the stabilizer must satisfy a value of <5 × 10 -9 m / s.
Aus den Untersuchungen zum Ablöschverhalten mitteldeutscher Filterasche im Gemisch mit anteilig zugesetzten WSA sind folgende Schlussfolgerungen ab leitbar:
- – Die mitteldeutsche BFA kann durch Zumischung von WSA
im Bereich von 5bis 20 Ma-% in ihrem Reaktionsverhalten verbessert werden. - – Die höhere Reaktivität der WSA führt im Ablöschprozess des Aschegemisches zu einer Anhebung des Temperaturniveaus und zu einem beschleunigten Ablauf der Löschreaktion.
- – Das Ausmaß der Reaktionsbeschleunigung und Temperaturanhebung steigt mit zunehmendem WSA-Anteil im Gemisch.
- – Trotz höherer Ausgangsgehalte durch Zumischung von WSA verbleiben im Aschegemisch nach Abschluss des Ablösch- und Reifeprozesses keine höheren Restfreikalkgehalte.
- – Die Zumischung der WSA hat keinen negativen Einfluss auf die Ausbildung der Stabilisatfestigkeit und führt in nahezu allen Fällen zu gleichen bis höheren Druckfestigkeitswerten im Vergleich zum reinen BFA-Stabilisat ohne WSA-Zumischung.
- – In Bezug auf die Wasserdurchlässigkeit des Stabilisats bewegen sich die Werte der WSA-haltigen Versuchsserien im Bereich bzw. unterhalb jener des reinen BFA-Stabilisats.
- – Das Auslaugverhalten des Stabilisats wird durch die Zumischung von WSA in seiner Charakteristik nicht verändert. Bestimmend für den Umfang der Stofffreisetzungen sind die Qualität der BFA und die thermischen Lagerungsbedingungen entscheidend.
- – Die Wasserlagerungsbeständigkeit der Stabilisate zeigt eine stark ausgeprägte Abhängigkeit von der Menge an zugemischter WSA. Während bis zu einem WSA-
Anteil von 15 Ma-% WSA-Zumischung keine Beeinträchtigung in der Beständigkeit erkennbar wird, zeigen dieStabilisate mit 25 Ma-% WSA-Zumischung starke Quellerscheinungen bis hin zum vollständigem Zerfall. Dieses Verhalten ist abhängig von der jeweiligen Herkunft der WSA. - – Großtechnische Versuche zur Einbautechnologie haben gezeigt, dass ein lagenweiser Verschub des abgekippten Asche-Wasser-Gemisches mittels Planierraupe notwendig und ausreichend ist, um in Form eines terrassenförmig angelegten, die Überdeckung des eingebauten Materials gewährleistenden Aschenkörpers die materialtechnischen Anforderungen erfüllen.
- – Die Verfestigung des Asche-Wasser-Gemisches zu einem gesteinsähnlichen Festkörper (Stabilisat) führt neben der Freisetzung von erheblicher Wärmemengen in Verbindung mit den adiabatischen Eigenschaften großvolumiger Körper im Gefügeverband eines Großkörpers zu langzeitwirkenden hydrothermalen Temperaturbedingungen.
- – Die Temperaturverläufe insgesamt sind unabhängig von Messanordnung und Materialdimension durch zwei getrennte exotherme Effekte gekennzeichnet:
- – Der Erste,
im Zeitintervall von 0bis 24 Std. angesiedelt, läuft parallel mit dem vollständigen Umsatz der reaktiven Komponenten Anhydrit und Yeelenit unter intensiver Bildung von Ettringit. - – Der Zweite, wesentlich beschleunigter verlaufende Effekt zwischen 24 und 60 Std. ist phasenanalytisch mit weiterer Ettringitbildung und Abbaureaktionen am Freikalk und Brownmillerit verbunden. Es wurde nachgewiesen, dass sich die Ettringitbildungen in beiden Temperatur-Phasen chemisch und hinsichtlich ihrer Korngröße erheblich voneinander unterschieden, so dass sie zwei unterschiedlichen Reaktionsmechanismen zugeordnet werden können.
- – Die Expansion selbst verläuft im Aschekörper nicht isotop, sie ist abhängig von den Auflastverhältnissen. Tieferliegende Bereiche des Monoblocks zeigen aufgrund größerer Materialzwängungen eine geringere Ausdehnung als an der Materialoberfläche.
- – Der Reaktionsmechanismus ist als eine Art Langzeit-in-situ-Hydrothermalsynthese zu charakterisieren, die zum einen neue Temperatur, Druck- und damit Stabilitätsverhältnisse für bereits existierende Strukturen schafft (hier: Ettringit), und zum anderen für Strukturen mit breiterem Stabilitätsbereich (hier: CASH- und CSH-Phasen) eine starke Beschleunigung der Kristallisationsvorgänge bewirkt.
- - The Central German BFA can be improved by adding WSA in the range of 5 to 20% by mass in their reaction behavior.
- - The higher reactivity of the WSA leads in the quenching process of the ash mixture to an increase in the temperature level and to an accelerated execution of the quenching reaction.
- - The extent of reaction acceleration and temperature increase increases with increasing WSA content in the mixture.
- - Despite higher starting contents due to the admixture of WSA, no higher residual free-lime content remains in the ash mixture after completion of the quenching and maturing process.
- - The admixture of the WSA has no negative influence on the formation of the stabilizing strength and leads in almost all cases to equal to higher compressive strength values in comparison to the pure BFA stabilizer without WSA admixture.
- - With regard to the water permeability of the stabilizer, the values of the WSA-containing test series are within or below that of the pure BFA stabilizer.
- - The leaching behavior of the stabilizer is not changed by the admixture of WSA in its characteristics. The quality of the BFA and the thermal storage conditions are decisive for the extent of the release of the substances.
- - The water storage stability of the stabilizers shows a strong dependence on the amount of admixed WSA. While up to a WSA content of 15% by weight WSA admixture no impairment in the resistance is evident, the stabilizers with 25% by mass WSA admixture show strong swelling phenomena up to complete disintegration. This behavior depends on the origin of the WSA.
- - Large-scale experiments on installation technology have shown that a positional shift of the dumped ash-water mixture by means of bulldozer is necessary and sufficient to meet in the form of a terraced, the coverage of the built-in material ensuring ash body material requirements.
- - The solidification of the ash-water mixture to a rock-like solid (stabilizer) leads in addition to the release of significant amounts of heat in conjunction with the adiabatic properties of large-volume body in the structural union of a large body to long-term hydrothermal temperature conditions.
- The overall temperature profiles are characterized by two separate exothermic effects, independent of the measuring arrangement and material dimension:
- - The first, located in the time interval of 0 to 24 hours, runs parallel with the complete conversion of the reactive components anhydrite and yeelenite with intensive formation of ettringite.
- - The second, significantly accelerated running effect between 24 and 60 hours is phase-associated with further ettringite formation and degradation reactions on free lime and brownmillerite. It has been demonstrated that the ettringite formations in both temperature phases are chemically and significantly different in their grain size so that they can be assigned to two different reaction mechanisms.
- - The expansion itself is not isotope in the ash body, it depends on the Auflastverhältnissen. Lower-lying areas of the monoblock show a smaller expansion than at the material surface due to larger material constraints.
- - The reaction mechanism is to be characterized as a kind of long-term in situ hydrothermal synthesis, which creates a new temperature, pressure and thus stability conditions for already existing structures (here: ettringite), and for structures with a broader stability range (here: CASH and CSH phases) causes a strong acceleration of the crystallization processes.
Der aus Stabilisat herzustellende Monokörper erreicht folgende Minimal-Werte:
- – Druckfestigkeit – 10 N/mm2
- – Wasserdurchlässigkeit – 5 × 10–9 n/s
- – Elutionswerte
- • Sulfat – 500 mg/l
- • Chlorid – 95 mg/l
- • Calcium – 600 mg/l.
- - Compressive strength - 10 N / mm 2
- - water permeability - 5 × 10 -9 n / s
- - elution values
- • Sulfate - 500 mg / l
- • chloride - 95 mg / l
- • Calcium - 600 mg / l.
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