DE102017101628A1

DE102017101628A1 - Verfahren zum Herstellen eines Bindemittels für die Konditionierung von Schlämmen, wasserhaltigen Böden sowie für die Neutralisation von Säuren

Info

Publication number: DE102017101628A1
Application number: DE102017101628.7A
Authority: DE
Inventors: Claus Gronholz
Original assignee: Tartech eco Ind AG; TARTECH eco industries AG
Current assignee: Tartech eco Ind AG; TARTECH eco industries AG
Priority date: 2017-01-27
Filing date: 2017-01-27
Publication date: 2018-08-02
Also published as: CN110914203A; EP3573931A1; WO2018138131A1; RU2019126449A; JP2020511584A; US20200038924A1; CA3053602A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bindemittels aus Schlacke für die Konditionierung von Schlämmen/Baggergut, wasserhaltigen Böden und für die Neutralisation von Säuren. Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Schlacke aus einer Müllverbrennungsanlage zerkleinert wird, anschließend Metall entfrachtet und die zerkleinerte Schlacke in eine Fraktion größer 2,0 - 3,0 mm und eine Fraktion kleiner 2,0 - 3,0 mm klassiert wird, dass die Fraktion 0/2,0 - 0/3,0 mm in einem Trockner auf eine Endfeuchte kleiner 1,5 Gew.-% - 2,5 Gew.-% getrocknet wird, wodurch die puzzolanischen Eigenschaften der Schlacke reaktiviert werden, dass der Trockneraustrag weiter mit einer Hochgeschwindigkeits-Prallmühle zu einer stabilen kubischen Kornstruktur zerkleinert und das dabei freigelegte Metall entfrachtet wird, und dass aus dieser zerkleinerten Schlacke die das Bindemittel bildende Fraktion 0/500 - 0/750 µm abgetrennt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bindemittels aus Schlacke aus Müllverbrennungsanlagen für die Konditionierung von Schlämmen, wie z. B. Baggergut/Baggerschlamm, wasserhaltigen Böden sowie für die Neutralisation von Säuren. Insbesondere betrifft die Erfindung die Herstellung eines Bindemittels aus Schlacke von Hausmüllverbrennungsanlagen, sogenannter HMVA-Schlacke. Grundsätzlich kann die Erfindung aber auch Schlacken anderer thermischer Abfallverwertung betreffen. Es wird im Folgenden überwiegend von Schlacke gesprochen, ohne dass damit eine Beschränkung verbunden sein soll.
Es ist üblich, bestimmte Gewässer insbesondere in Hafengebieten oder Hafenzuflüssen auszubaggern, um sie für größere Schiffe mit größerem Tiefgang passierbar zu machen. Das Baggergut muss deponiert werden, da es häufig kontaminiert ist und zur Zeit keiner weiteren Verwendung zugänglich ist. Das Baggergut ist nach dem Ausbaggern nass und das austretende Wasser muss ebenfalls aufgefangen werden, da es nicht in das Grundwasser gelangen darf.
Weiterhin ist das Baggergut von geringer Festigkeit, so dass es auch im stichfesten Zustand nur mit einem geringen Böschungswinkel deponiert werden kann. Aufgrund des ständig austretenden Wassers ist es weiterhin erforderlich, zwischen den Schichten aus Baggergut Drainageschichten aus Sand vorzusehen, die zudem mit Drainagerohren versetzt sind, um das Wasser austreten zu lassen. Es ist bekannt, dass eine Schicht aus Baggergut auf der Deponie nur etwa 600 bis 800 mm hoch sein kann. Dazwischen muss sich eine etwa 200 bis 300 mm starke Drainageschicht befinden. Es sind daher relativ aufwändige und großflächige Deponien erforderlich, zumal das Wasser über eine sehr lange Zeit austritt.
Das Deponieren von Baggergut ist beispielsweise für die Stadt Hamburg ein Problem, da der Hamburger Hafen und die Elbe laufend ausgebaggert werden müssen, damit die Schiffe aufgrund ihres Tiefgangs zu den Anlegerplätzen im Hafen gelangen können. Dieses Baggergut ist zudem kontaminiert. Die Stadt Hamburg hat jedoch nur begrenzte Flächen zur Verfügung, so dass die großflächige Deponierung des Baggerguts nicht ohne weiteres möglich ist. Durch die zusätzlichen Drainageschichten wird jedoch ein großer Teil des Deponievolumens für inerten Sand benötigt. Insgesamt muss daher für relativ wenig zu deponierendem Baggergut eine relativ große Fläche bereitgestellt werden, die in dem Stadtstaat Hamburg jedoch nur begrenzt verfügbar ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges Bindemittel für die Konditionierung des Baggerguts bereitzustellen, durch das das Baggergut verfestigt wird und somit einen größeren Böschungswinkel zulässt.
Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Schlacke aus einer Müllverbrennungsanlage zerkleinert wird, dass die zerkleinerte Schlacke in eine Fraktion größer als 2,0 - 3,0 mm und eine Fraktion kleiner als 2,0 - 3,0 mm klassiert wird, dass die Fraktion 0/2,0 - 0/3,0 mm in einem Trockner auf eine Endfeuchte kleiner 1,5 Gew.-% - 2,5 Gew.-% getrocknet wird, wodurch die puzzolanischen Eigenschaften der Schlacke reaktiviert werden, dass der Trockneraustrag weiter mit einer Hochgeschwindigkeits-Prallmühle zu stabile kubisch geformte Teilchen zerkleinert wird, und dass aus dieser zerkleinerten Schlacke die das Bindemittel bildende Fraktion 0/500 - 750 µm abgetrennt wird. Es hat sich gezeigt, dass die Schlacke aus Hausmüllverbrennungsanlagen (HMVA) unter anderem CaO (Kalziumoxid, Branntkalk), Al₂O₃+Fe₂O₃ (Aluminiumoxid + Eisen (III) Oxid) und SiO₂ (Siliziumdioxid, Quarz) als Inhaltsstoffe in einer Zusammensetzung aufweist, die derjenigen von Zement entspricht. Es wurde herausgefunden, dass durch die Trocknung diese puzzolanischen Eigenschaften der Schlacke reaktiviert werden können. Die Schlacke weist daher nach der Trocknung puzzolanische Eigenschaften auf, die zum Abbinden/Konditionieren des Baggerguts genutzt werden können. Damit können zwei Abfallstoffe gut und kostengünstig deponiert werden, da sowohl das Baggergut als auch die Schlacke aus einer Hausmüllverbrennungsanlage beispielsweise in Hamburg in ausreichenden Mengen räumlich dicht nebeneinander verfügbar sind.
Es ist zweckmäßig, wenn die Schlacke vor der ersten Zerkleinerung/Aufbereitung für etwa 2,5 bis 3,5 Monate zwischengelagert wird. Dieser als Kalzinierung bezeichnete Prozess ist für die Weiterverwendung der Schlacke in der Regel durch gesetzliche Bestimmungen vorgeschrieben.
Besonders zweckmäßig ist, wenn beim Aufbereitungsprozess der Schlacke vor der Trocknung die metallhaltigen Stoffe entfernt werden. Hierdurch werden wiederwendbare Metalle aus der ansonsten auf der Deponie endgelagerten Schlacke gewonnen, wodurch der Herstellungsprozess des Bindemittels auch ökonomisch günstig wird.
Weiterhin ist es günstig, wenn die Trocknung der Fraktion 0/2,0 - 0/3,0 mm in einem Trommeltrockner erfolgt. Die Trocknung wird vorzugsweise im Gleichstromverfahren durchgeführt. Es hat sich gezeigt, dass durch diese Trocknung im Gleichstrom die puzzolanischen Eigenschaften gleichmäßig und gut reaktiviert werden können. Dabei ist es vorgesehen, dass die Trocknung bei einer Temperatur in der Trommel von 270°C bis 330°C durchgeführt wird. Insbesondere ist vorgesehen das die Temperatur in der Trommel außerhalb der Brennerzone 300°C nicht übersteigt, um den Reaktivierungsprozess zu begünstigen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden aus der Fraktion 0/2,0 - 0/3,0 mm nach der Trocknung die metallhaltigen Stoffe zumindest teilweise weiter entfernt. Damit kann der Ertrag aus der Schlacke durch wiedergewonnene Metalle weiter gesteigert werden, so dass die Herstellungskosten des Bindemittels weiter gesenkt werden können.
Die Schlacke liegt hinter dem Trockner in Form von unregelmäßig zerklüfteten Teilchen vor. Es ist zweckmäßig, wenn die Zerkleinerung nach der Trocknung in einer Hochgeschwindigkeitsprallmühle durchgeführt wird. Dadurch werden die instabilen Sinterkonglomerate zu kompakten kubisch geformten Teilchen zerkleinert. Aus diesem Gemisch wird die Fraktion 0/500 - 0/750 µm als Bindemittel abgetrennt. Dies kann mit herkömmlichen Klassierverfahren erfolgen. Die durch die Hochgeschwindigkeits-Prallmühle erzeugten kompakten kubisch geformten Teilchen sind gut vermischbar, so dass das Bindemittel mit einfachen Mischvorrichtungen mit dem Baggergut vermischt werden kann.
Bei der Trocknung entstehen zwangsläufig Filterstäube, die mit bekannten Filtereinrichtungen aufgefangen werden. Die Filterstäube weisen die gleiche chemische Zusammensetzung wie die Schlacke auf. Es ist daher vorgesehen, dass dem Bindemittel der Filterstaub aus der Trocknung zugeführt wird. Das Bindemittel umfasst ohnehin die Fraktion 0/500 - 750 µm, zu der auch der gewonnene Filterstaub passt, dessen Teilchen in der Regel kleiner als 50 µm sind. Die Fraktion < 750 µm der Schlacke kann daher vollständig als Bindemittel verwendet werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Bindemittel, das aus einer Fraktion < 500 - 750 µm einer Schlacke aus Mühlverbrennungsanlagen besteht, die mit dem eingangs geschilderten Verfahren behandelt worden ist. Das Bindemittel wird aus einem Abfallprodukt hergestellt und ist somit kostengünstig und in großen Mengen verfügbar.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein deponierbares Stoff-Gemisch bestehend aus einem nassen, stichfesten Baggergut, dem das mit dem oben beschriebenen Verfahren hergestellte Bindemittel zugegeben und mit diesem vermischt oder konditioniert worden ist. Es ist vorgesehen, dass der Bindemittelanteil zwischen 10 Gew.-% und 40 Gew.-% und insbesondere zwischen 20 Gew.-% und 30 Gew.-% beträgt. Das Bindemittel kann aus einem Abfallprodukt, der Schlacke aus Müllverbrennungsanlagen, kostengünstig hergestellt werden. Zusammen mit dem nassen Baggergut entsteht ein deponierbares Stoff-Gemisch ausreichender Festigkeit, das eine Deponierung mit einem relativ steilen Böschungswinkel erlaubt. Weiterhin hat sich gezeigt, dass das Quellverhalten des Stoff-Gemischs klein ist, so dass das Volumen relativ konstant bleibt. Die Deponierung wird somit einfacher.
Durch den erzielbaren steileren Böschungswinkel kann auf einer Fläche deutlich mehr Baggergut deponiert werden. Weiterhin wird das Wasser im Baggergut durch das Bindemittel, welches aufgrund seiner Größe und kubischen Form bis in die kapillaren Hohlräume vordringt, gebunden, so dass es nicht mehr austritt. Es ist daher auch nicht mehr erforderlich, zwischen einzelnen Deponieschichten Drainageschichten mit Drainagerohren vorzusehen. Dadurch können die Deponiekosten deutlich reduziert werden. Weiterhin ist ein Auffangen des Wassers aus dem so konditionierten Baggergut nicht mehr erforderlich, da es gebunden wird.

Weiterhin weist das Gemisch aus Baggergut und dem Bindemittel bereits nach 7 Tagen einen deutlich niedrigeren Wassergehalt auf, als das Baggergut ohne Bindemittel. Der Wassergehalt ist nach 28 Tagen noch weiter gesunken. Die Messwerte sind in der folgenden Tabelle wiedergegeben:

Wassergehalt in Gew.-%
Zeit	Baggergut	+ 10 Gew.-% Bindemittel	+ 20 Gew.-% Bindemittel	+ 30 Gew.-% Bindemittel
0 Tage	86,3	68,9	58,9	53,8
7 Tage	84,8	63,8	54,8	50,1
28 Tage	83,7	58,4	50,5	46,0

Durch die Zugabe des Bindemittels konnte die Druckfestigkeit des deponierten Baggerguts deutlich erhöht werden, wie nachstehende Tabelle zeigt:

Druckfestigkeit in kN/m²

Zeit Baggergut + 10 Gew.-% Bindemittel + 20 Gew.-% Bindemittel + 30 Gew.-% Bindemittel

7 Tage 17,7 30,2 53,6 64,5

28 Tage 28,6 49,4 87,9 103,9
Weiterhin erhöhte sich die für den Böschungswinkel maßgebliche Flügelscherfestigkeit des deponierten Stoff-Gemischs aus Baggergut und Bindemittel, wie folgende Tabelle zeigt:

Flügelscherfestigkeit in kN/mm²

Zeit Baggergut + 10 Gew.-% Bindemittel + 20 Gew.-% Bindemittel + 30 Gew.-% Bindemittel

7 Tage 10,5 23,5 39,0 68,0

28 Tage 22,0 35,0 64,0 91,0
Die Tabellen mit den Messwerten zeigen, dass das zu deponierende Stoff-Gemisch nach 28 Tagen eine große Druckfestigkeit und eine hohe Flügelscherfestigkeit aufweist, die ausreichend sind, eine Deponie mit steilerem Böschungswinkel aufzuschütten. Durch den geringeren Wassergehalt ist zudem das Vorsehen von zusätzlichen Drainageschichten nicht mehr erforderlich, da dieses Wasser schon beim Konditionieren gebunden ist und nicht mehr austritt. Es kann daher auf einer kleineren Fläche deutlich mehr Baggergut deponiert werden. Die Herstellungskosten des Bindemittels werden durch die Kostenersparnis bei der Deponierung und durch die aus der Schlacke gewonnenen Wertstoffe kompensiert.
Das Bindemittel eignet sich auch zur Konditionierung und Verfestigung von industriellen Schlämmen, wie dem sogenannten Rotschlamm aus der primären Aluminiumgewinnung. Nach der Konditionierung des Rotschlamms mit dem Bindemittel kann auch dieses Stoff-Gemisch effizienter deponiert werden. Auch kann mit dem Bindemittel Bohrschlamm aus der Erdölgewinnung konditioniert und damit deponiefähiger gemacht werden.
Eine weitere Verwendung des Bindemittels besteht darin, es aufgrund des hohen pH-Werts von 10,0 - 11,5 und seiner feinen Kornstruktur sowie seiner geringen Restfeuchte als Neutralisationsmittel für säurehaltige Abfälle aus der chemischen Industrie einzusetzen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein Verfahrensschema gemäß der Erfindung.
Die aus einer Müllverbrennungsanlage stammende Schlacke 11 wird zunächst in einem Zwischenlager 12 für eine vorbestimmte Zeit von 2,5 bis 3,5 Monaten gelagert. Anschließend wird die Schlacke in einer ersten Zerkleinerungsvorrichtung, beispielsweise in einer Prallmühle 13 zerkleinert. Aus der zerkleinerten Schlacke werden in einer an sich bekannten Trennvorrichtung 14 metallische Bestandteile abgetrennt. Durch Magnetabscheider können Eisenmetalle abgetrennt werden. Diese Metalle 15 werden einer weiteren Verwendung zugeführt.
Die somit von Metallen gereinigte Schlacke gelangt in eine erste Klassierstation 16, in der die Schlacke in eine Fraktion größer 3,0 mm und eine Fraktion kleiner 3,0 mm klassiert wird. Die Fraktion 17 größer als 3,0 mm wird für eine andere Verwendung ausgeschleust.
Die Fraktion kleiner 3,0 mm wird einem Trommeltrockner 18 zugeführt, in dem die Schlacke im Gleichstromverfahren auf einen Restfeuchtegehalt von < 1,5 Gew.-% bis < 2,0 Gew.-% getrocknet wird. Die Temperatur am Brenner 19 beträgt etwa 600°C, während die Temperatur in der Trommel etwa 300°C beträgt. Durch den Trocknungsprozess bei diesen Temperaturen werden die puzzolanischen Eigenschaften der Schlacke reaktiviert. Der bei der Trocknung entstehende Wasserdampf 20 wird mit einer nicht gezeigten Filteranlage abgezogen.
Der Feststoffaustrag der Trocknung wird in einer zweiten Zerkleinerungsvorrichtung 21 weiter zerkleinert. Dies kann beispielsweise in einer Hochgeschwindigkeitsprallmühle erfolgen, in der die zerklüfteten instabilen Sinterkonglomerate zu stabilen kubisch geformten Teilchen zerkleinert werden. Auch kann eine Aufsprengung der Teilchen unter Freigabe der darin enthaltenen Metalle erfolgen.
Diese so zerkleinerte Schlacke wird einer weiteren Metallabscheidevorrichtung 22 zugeleitet. Hier werden die Nichteisenmetalle und die Eisenmetalle 23 aus der Schlacke entfernt und einer weiteren Verwendung zugeführt.
Die restliche Schlacke wird anschließend in einer zweiten Klassiervorrichtung 24 in eine Fraktion größer 750 µm und eine Fraktion kleiner 750 µm aufgetrennt. Die Fraktion 25 größer 750 µm wird für eine andere Verwendung ausgeschleust.
Die Fraktion 0/750 µm weist die gewünschten puzzolanischen Eigenschaften und Kornstrukturen auf. Diese Fraktion wird in einer Mischvorrichtung 26 mit dem Filterstaub 27 aus der Filteranlage der Trocknungseinrichtung 18 vermischt. Diese Mischung bildet das Bindemittel 28.
Das Bindemittel 28 kann in einem Mischwerk mit Baggergut vermischt und anschließend auf eine Deponie verbracht werden. Dort härtet das Stoff-Gemisch aus Baggergut und Bindemittel aus. Es besteht aufgrund des Abbindens nicht mehr die Gefahr, dass Wasser austritt oder umweltbelastende Stoffe ausgewaschen werden.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Bindemittels aus Schlacken aus Hausmüllverbrennungsanlagen (HMVA-Schlacken) für die Konditionierung von Schlämmen, wasserhaltigen Böden sowie für die Neutralisation von Säuren, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlacke (11) aus einer Müllverbrennungsanlage zerkleinert wird, dass die zerkleinerte Schlacke in eine Fraktion größer 2,0 - 3,0 mm und eine Fraktion kleiner 2,0 - 3,0 mm klassiert wird, dass die Fraktion 0/2,0 - 0/3,0 mm in einem Trockner (18) auf eine Endfeuchte kleiner 1,5 Gew.-% - 2,5 Gew.-% getrocknet wird, wodurch die puzzolanischen Eigenschaften der Schlacke reaktiviert werden, dass der Trockneraustrag weiter zerkleinert wird, und dass aus dieser zerkleinerten Schlacke die das Bindemittel (28) bildende Fraktion 0/500 - 0/750 µm abgetrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlacke vor der ersten Zerkleinerung für etwa 2,5 bis 3,5 Monate zwischengelagert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus der zerkleinerten Schlacke vor der Trocknung die metallhaltigen Stoffe durch Aufschluss zumindest teilweise entfernt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trocknung der Fraktion 0/2,0 - 0/3,0 mm in einem Trommeltrockner (18) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trocknung im Gleichstromverfahren durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Trocknung bei einer Temperatur in der Trommel von 270°C bis 330°C durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Fraktion 0/2,0 - 0/3,0 mm nach der Trocknung die metallhaltigen Stoffe durch Aufschluss zumindest teilweise weiter entfernt werden
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerkleinerung nach der Trocknung mit einem Hochgeschwindigkeits-Prallzerkleinerer oder einer Hochgeschwindigkeitsprallmühle (21) zu einer stabilen kubischen Kornstruktur erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem Bindemittel der Filterstaub aus der Trocknung zugeführt wird.
Bindemittel, das aus einer Fraktion kleiner 500 - 750 µm einer Schlacke aus Müllverbrennungsanlagen besteht und die mit dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 behandelt worden ist.
Deponierbares Stoff-Gemisch bestehend aus einem nassen, stichfesten Schlamm/Baggergut, dem das mit dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellte Bindemittel zugegeben und mit diesem vermischt/konditioniert worden ist.
Deponierbares Stoff-Gemisch nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Bindemittelanteil zwischen 10 Gew.-% und 40 Gew.-% und insbesondere zwischen 20 Gew.-% und 30 Gew.-% beträgt.
Verwendung des mit dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellten Bindemittels zur Neutralisation von säurehaltigen Abfällen.