DE4103412A1 - Verfahren zur herstellung von bau- und dichtstoffen aus elektrofilter-, zyklon- und gewebefilteraschen festbrennstoffgefeuerter dampferzeuger (dispersopt-verfahren) - Google Patents

Description

Die als Dispersopt-Verfahren gekennzeichnete Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von bautechnisch verwertbaren Körpern bzw. zur Herstellung von Dichtstoffen im Deponiebau aus Kraftwerksfilteraschen, wobei sowohl Elektrofilteraschen als auch Kombinationen von Zyklon- und Gewebefilteraschen oder Zyklon- und Elektrofilteraschen bzw. -komponenten aus Dampferzeugern mit Rost- und/oder Mühlenfeuerung einer Verwertung zugeführt werden können. Das Verfahren beruht auf der Herstellung einer permanent überschußwasserfreien Dispersion, die durch gezielten Auf­ bau der verschiedenen Kornfraktionen auf der Grundlage einer experimentell zu bestimmenden Wasseranspruchsfunktion so zu optimieren ist, daß bei Verbrennungsprodukten mittel­ deutscher Braunkohle keinerlei zusätzliche Bindemittel benötigt werden. Die Wasseranspruchsfunktion dient weiter­ hin der Qualitätssicherung und -kontrolle im technolo­ gischen Prozeß einer Bau- und/oder Dichtstoffherstellung nach dem bezeichneten Verfahren.

Aus der Patentschrift DD-PS 1 04 600 ist ein Verfahren zur Verwertung von Filterasche als Bindemittel bekannt, wobei mit Hilfe einer sulfatischen Anregung der Filterasche mit Anhydrit ein Baustoff für Verfüllmassen hergestellt wird.

Bekannt ist auch nach DD-PS 48 156 die Möglichkeit, granu­ lierte Filteraschen durch Zugabe von Gips und Zement einer bautechnischen Nutzung zuzuführen.

Die Patentschriften DD-PS 35 222 und 2 23 699 behandeln ebenfalls die Herstellung von zuschlagsfähigen oder auch bindenden Aschegranulaten.

Angegeben wird ferner ein Verfahren, nach dem Aschedisper­ sionen mittels Rohrleitung auf einen Lagerplatz geleitet und die bekannten Bindemittel zugesetzt werden (DD-PS 2 01 816).

Weiter ist ein Verfahren bekannt, bei dem Filterasche des Wasseranspruchs A/W = 3,5 : 1 mit einem Wasserüberschuß von ca. 130 g/kg Asche gemischt und auf eine Fläche gepumpt wird, wobei die gelagerte Asche Wasserfiltrationswerte von 10^-6 bis 10^-8 m/s und Druckfestigkeiten von 0,7 bis 3 MPa erreicht.

In der Patentschrift DD 2 44 545 wird ein Verfahren zur Her­ stellung von Betonmassen aus Abprodukten beschrieben, wobei Industrieschlämme und Flugaschen verwendet werden. Dazu wird einem Industrieschlamm-Wasser-Gemisch ein wasserbin­ dender Stoff in Mengen von 20 bis 60 Masse % (Flugasche für Magerbetone bzw. Flugasche und Zement für Sanierungsmassen, hinzugefügt.

Die Patentschrift DD 2 44 472 stellt ein Verfahren zur Her­ stellung von gefügedichten Aschemörteln und -betonen auf der Basis von Filter- und Trockenaschen, Zuschlagstoffen und Bindemitteln vor und erläutert die Herstellung einer Wasser-Asche-Suspension, in der die Kraftwerksasche dem Wasser zugegeben wird. Der nachgewiesene Wasseranspruch W/A = 0,6, d. h. A/W = 1,66 liegt bei den verwendeten Müh­ lenkesselaschen im Überschußwasserbereich, woraus eine schwankende und letztlich nur durch Zementzugaben zu kom­ pensierende negative Qualitätsbeeinflussung der hergestell­ ten Betone folgt.

Das gleiche Problem beinhaltet die Patentschrift DD 2 44 546, die ein Verfahren zur Herstellung einer Spezialbetonmasse vorstellt. Dabei werden Asche-Wasser-Suspensionen mit einem W/A-Wert von 0,4 bis 1,2, d. h. A/W-Ansprüche von 0,85 bis 2,5 nachgewiesen. Der Suspension wird ein die Erhärtung be­ einflussender Stoff von 10 bis 60 Masse %, bezogen auf das Gesamtgemisch, zugegeben. Lösungsansätze bezüglich einer Aufarbeitung von Aschen mechanischer Entstaubungsanlagen (Zyklone, Gewebeabscheider, von Filteraschen rostgefeuerter Dampferzeuger bzw. von einer Verwertung der Aschen in Ab­ hängigkeit vom im Tagesverlauf veränderten Lastverhalten der Dampfkessel sind nirgendwo erkennbar.

Eine weitere Patentschrift P 39 41 397.7 liegt zur hydro­ thermalen Behandlung abgelagerter Aschen vor, deren Ziel­ stellung darin besteht, die hydraulisch aktiven Phasen durch Nachverbrennungs- und Einmahlprozesse zur Erhöhung der spezifischen Oberflächen zu reaktivieren.

Die an das vorherige Patent anschließende Patentschrift DE 27 17 240 C2 beschreibt ein Verfahren zur hydraulischen Abbindung reaktivierter Aschen durch Mahlprozesse von Filteraschen und Bindemitteln in Zusammenhang mit einer Druckerhärtung im Autoklaven.

Der Erfindung lag folglich die Aufgabe zugrunde, unter Be­ rücksichtigung der Betriebsweise von Kraft- bzw. Heizkraft­ werken ein Verfahren zur stabilen Verwertung anfallender Filteraschen dergestalt zu entwickeln, daß trotz der ge­ setzlichen Bestimmungen bezüglich zu realisierender Filter­ maßnahmen und des daraus resultierenden erhöhten Asche­ anfalls am Standort eine allgemeine Deponieentlastung, eine globale Entsorgungslösung einschließlich zusätzlicher Ab­ produkte (z. B. einer Rauchgasentschwefelung, und die Her­ stellung qualitätsbeständiger Produkte für eine Bau- und Deponietechnik erfolgt.

Es wurde zunächst gefunden, daß Filteraschen bei aufge­ brachten Scherbewegungen und spezifischem Wasserzusatz eine stabile, fließende Dispersion bilden, aus der nach Bewe­ gungsende unabhängig von vorhandenen hydraulischen Phasen auch dann kein Überschußwasser ausfällt, wenn die Schütt­ dichten der Aschen - wie bei Filteraschen der im Rostkessel verbrannten Rohbraunkohle möglich - lediglich 0,35-0,4 t/m³ betragen. Dabei wird der spezifische Wasseranspruch dadurch fixiert, daß in zeitlichen Abständen während des Scherprozesses der Aschemenge solange Wasseranteile zuge­ setzt werden, bis gerade ein signifikanter Fließeffekt ein­ tritt. Die auf diese Weise ermittelten Asche/Wasser-Ver­ hältnisse (A/W) bewegen sich je nach Ascheart zwischen 1,2 . . . 2,2 : 1 bei Rostkessel- bzw. zwischen 2,4 . . . 3,8 : 1 bei Mühlenkesselfilteraschen. Letztere weisen folg­ lich einen erheblich geringeren Wasseranspruch auf.

Im Ergebnis hydraulischer Erhärtungsversuche mit den ver­ fahrensgemäß hergestellten und abgelagerten Filteraschenaß­ dispersionen wurde festgestellt, daß Filteraschen aus Mühlenkesseln ohne, in Grenzen aber auch mit Überschußwasser erhärten, während auf adäquate Weise hergestellte Körper aus Rostkesselfilteraschen bereits bei einem Überschußwasser von 20 g/30 cm² Oberfläche einen erheblichen Festigkeits­ abfall zeigen. Bei zunehmendem Überschußwasser tritt prak­ tisch keine hydraulische Verfestigung mehr ein. Es wurde weiter gefunden, daß überschußwasserfreie, an der Fließober­ grenze liegende Dispersionen einen vollständigen Aufschluß der hydraulischen Phasen ermöglichen, da im hergestellten Zustand praktisch jedes Aschekorn mit einem unterschied­ lich dicken, im Mikrometerbereich liegenden Wasserfilm vollständig umschlossen ist. Demzufolge sind sowohl der aschespezifische Wasseranspruch als auch die Vermeidung von Überschußwasser als Grundforderungen für die Herstellung geeigneter Aschedispersionen anzusehen.

In Zusammenhang mit dem grundsätzlichen Ausschluß von Über­ schußwasser in einer für den Bau- und/oder Dichtstoffeinsatz aufzubereitenden Filteraschedispersion wird das Problem des selbst bei kontinuierlicher Siloentnahme ständig wechselnden Wasseranspruchs - begründet durch völlig zufällige Mischun­ gen resp. Entmischungen der Aschekörnungen bei Transport und Lagerung - dadurch gelöst, daß die Aschen der Filterstufen 1 und 2 eines zweistufigen Elektrofilters getrennt abgeführt und in verschiedenen Silos gelagert werden. Entsprechend wird verfahren, wenn die Dampferzeuger mit mechanischen Ent­ staubungsanlagen (Zyklon und Gewebeabscheider) ausgerüstet sind. Bei Vorhandensein von mehrstufigen Elektrofiltern ge­ nügt eine Ascheteiltrennung, z. B. die Absonderung der letz­ ten Filterstufe bei einem dreistufigen Elektrofilter.

Der optimale Zusammenbau einer Naßdispersion aus getrennt vorliegenden Filteraschekomponenten erfolgt auf der Basis einer experimentell gefundenen Wasseranspruchsfunktion, die - unabhängig von den zu kombinierenden Ausgangsstoffen - qualitativ immer gleiche Verläufe zeigt.

Bei entsprechend der Beschreibung ermittelten Wasseranspruch zweier Aschekomponenten (FS1 und FS2 eines Elektrofilters; Aschen aus Zyklonabscheider und Gewebefilter, die einer dem Dampfkessel nachgeschalteten Entstaubungsanlage entstammen) besitzt die Vorreinigungsasche gegenüber der Nachreinigung stets den geringeren Wasseranspruch, so daß sich aus der fortlaufenden Mischungsreihe (FS1/FS2) %=90/10; 80/20 . . . 10/90 eine theoretische Wasserbedarfskurve c entspre­ chend Fig. 1-4 bestimmen läßt. Werden Aschen aus Dampf­ erzeugern unterschiedlicher Bauart bzw. mit verschiedenen Entstaubungsanlagen und/oder zusätzlich erforderliche Binde­ mittel über eine Naßdispersion verknüpft, kann die sich theoretisch ergebende Kurve c auch einen ansteigenden Ver­ lauf aufweisen (Fig. 4).

Im Experiment wird dagegen ein abweichender Kurvenverlauf, die praktische Wasseranspruchsfunktion der Filteraschedis­ persion d gefunden (Fig. 1-4). Diese erreicht in Punkt 1 den maximalen Asche/Wasser-Wert, d. h. einen minimalen Was­ seranspruch bezüglich der Dispersion, was aus der Verdich­ tung des Hohlraumvolumens der "Grobkorndispersion" durch das Feinkorn resultiert. Dabei überwiegt trotz steigender spe­ zifischer Oberflächen der Dispersion der Anteil des aus dem Hohlraumvolumen verdrängten Wassers, das bei Nichtbeachtung des funktionalen Verlaufs am Punkt 1 als Überschußwasser an­ fiele.

Bei weiterer Erhöhung des Feinkornanteils um ca. 5% nimmt der Wasseranspruch der Dispersion infolge Aufbrechens der adhäsiven Wasserverbindung zwischen den gröberen Körnern durch vermehrte Feinkornzuführung erheblich zu und erreicht um Punkt 2 der Wasseranspruchsfunktion ein Gebiet, in dem sich der Wasseranspruch bei weiterer Erhöhung des Anteils der Feinkornkomponenten nur unwesentlich ändert. Eine wei­ tere Betrachtung der Kurve bleibt außer Acht, da die Verfüg­ barkeit der Komponente 2 ohnehin technologische Grenzen setzt.

Ergebnisse der Baustoffprüfung belegen, daß der Aufbau einer optimierten Dispersion im Gebiet um Punkt 2 der Wasseran­ spruchsfunktion erfolgt. Im Unterschied zur Betontechnologie stellt der Bereich des geringsten Wasseranspruchs infolge der sich anschließenden komplexen chemischen Prozesse der Hydratation (Aushärtung primär aluminat- bzw. aluminatfer­ ratischer Phasen der Filteraschedispersion) die untere, stets zu überschreitende Grenze bezüglich des Anteils der feinkörnigeren Komponente dar. Eine Fahrweise im Gebiet um Punkt 2 sichert weiterhin, daß Überschußwasser praktisch ausgeschlossen wird. Erfolgt eine Gesamtkornbandänderung in Richtung "gröberen" Bereich, tritt tendenziell leicht kom­ pensierbarer Wassermangel auf, während eine Zunahme des Feinkornanteils kaum Änderungen des Wasseranspruchs der Dispersion bewirkt. Mit Hilfe der Wasseranspruchsfunktion erfolgt somit einerseits die Festlegung des optimalen Kör­ nungsbereichs der aufzubauenden Dispersion (und damit eine entsprechende Verteilung der hydraulisch aktiven Phasen über das gesamte Volumen), die Vermeidung von Überschußwasser als entscheidende Voraussetzung für den chemischen Aufschluß dieser Phasen sowie darüber hinaus eine fortlaufende Über­ wachung des technologischen Ascheverwertungsprozesses mit dem Ziel einer Qualitätssicherung der herzustellenden Er­ zeugnisse.

Der verfahrensspezifische Aufbau der Dispersion im stabil überschußwasserfreien Bereich stellt ferner die Voraus­ setzung für eine Verwertung hydraulisch inaktiver Aschen in­ sofern dar, daß auf Grund des in der Dispersion herrschenden Wassermangels Komponenten unterschiedlicher Kornrohdichten ohne Entmischungs- oder Absetzerscheinungen einbezogen wer­ den können. Nach Abtrennung der Feinfraktion (ggf. Filter­ stufe 3) erfolgt ein Bindemittelzusatz z. B. in Form von Hüttenzement, Hydratkalk und/oder hydraulisch aktiven Fil­ teraschen, deren jeweils prozentualer Anteil über die Was­ seranspruchsfunktion festgelegt wird. Bei Verwendung von Zement oder Hydratkalk entspricht der qualitative Kurven­ verlauf Fig. 4, wobei aus ökonomischen Gründen sinnvoll ein Betrieb im Bereich zwischen Punkt 2 und 1 der Wasser­ anspruchsfunktion (Zielrichtung Punkt 1) anzustreben ist.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, inerte Materialien wie z. B. granulierte Gummi- oder Kunststoffabfälle oder Rest­ stoffe mit Fasercharakter aus der Dämm- und Isolierstoff­ produktion im Volumenverhältnis Gesamtasche/Reststoff 3 : 1 . . . 1 : 1 in die Dispersion einzubeziehen, so daß Aschekörper mit spezifisch veränderten Eigenschaften her­ stellbar sind. Nehmen diese Stoffe Wasser auf, ist zuvor eine Meische herzustellen. Die sich ergebenden quantitativen Änderungen (Wasseranspruch, n-Komponenten-Dispersionsver­ hältnis) finden in der Wasseranspruchsfunktion ihren Nieder­ schlag.

Durch Einschluß schwer zu entsorgender Abprodukte wie Gipse der Rauchgasentschwefelungsanlagen, Salzkohleaschen, Anhydrit-II-haltige Aschen als Ergebnis einer Wirbelschicht­ verbrennung und Aschen aus Müllverbrennungsanlagen in einen dispersoptimierten Dichtstoff können komplexe Standortent­ sorgungslösungen erreicht werden.

Die komplexe Hydratation aluminat-ferratischer Phasen (bei vollständigem Fehlen der Hauptphase C₃S des Zementes) ge­ währleistet eine Abbindegeschwindigkeit, die sekundäre Kalk- und Gipstreibprozesse ausschließt.

Die erfindungsgemäß hergestellte Dispersion - an den Bei­ spielen 1-4 verdeutlicht - erreicht nach druckloser Lage­ rung und Trocknung ohne Bindemittelzusätze als Baustoff un­ abhängig von unverbrannten Bestandteilen stabile Druck­ festigkeiten von 40-80 MPa; als abgelagerte Dichtstoffmas­ se im erdfeuchten Zustand bei Druckfestigkeiten zwischen 22 und 28 MPa Wasserfiltrationswerte von 10^-10 bis 10^-11 m/s.

Die Beispiele 1-3 erfassen mögliche Betriebsfälle eines Heizkraftwerkes und bestätigen, daß eine Ascheverwertung nach dem Dispersopt-Verfahren allen Varianten der Betriebs­ führung angepaßt werden kann.

Beispiel 1 Dampferzeuger mit Dampferzeugerleistung 40 t/h (Vollast) Elektrofilterasche FS 1/FS 2 (getrennt)

Nach Fig. 1 (Gesamtaschemenge jeweils 5000 g) ergibt sich:

Fig. 5 zeigt die normierten Siebkornlinien (Kornbereich 0 . . . 1 mm) der FS 1 (a) und 2 (b) sowie der Dispersion (FS 1/FS 2) % 85 /15 (a + b). Fig. 7 kennzeichnet die Sieb­ kornlinien des Fahrintervalls und unterstreicht, daß die Verdichtung der Dispersion immer in Nähe des Vorreinigungs­ anteils erfolgt und zusätzliche Mahlprozesse der "gröberen" Kornfraktionen zur Erhöhung der spezifischen Oberflächen überflüssig sind.

Aus der Darstellung der aktiven hydraulischen Phasen geht die Dominanz der Aluminat- bzw. Aluminat-Ferrat-Phasen her­ vor. FS 2 besitzt auf Grund der Häufigkeit höherwertiger Aluminatphasen C₃A/C₂A (24%) gegenüber FS 1 C₂A/CA(13%) die erheblich schnellere Abbindefähigkeit. Diese Tendenz wird auf die Hydratation der Dispersion 85/15 als Folge der Feinkörnung stärker übertragen, als eine schematische An­ gabe in Masse-% vermuten läßt.

Potentielle Phasen

Beispiel 2 Dampferzeuger wie vor, Dampferzeugerleistung: 30 t/h; Elektrofilter außer Betrieb

In Fig. 2 erkennt man keine grundsätzlich geänderten Ver­ hältnisse. Der abgeschaltete Elektrofilter wirkt infolge Druckabfall des Rauchgasstromes als mechanischer Abscheider. Eine Weiterführung des Ascherecyclings erfolgt mit im Silo gesammeltem Feinkorn.

Beispiel 3 Dampferzeuger wie vor, Dampferzeugerleistung: 20 t/h (Nächtliche Lasteinsenkung) FS 1 → gesonderter Silo; FS 2 (Anteil gering) → Silo FS 2

Fig. 6 demonstriert das gegenüber Fig. 5 (Vollast) ver­ feinerte, sich der FS2 nähernde Körnungsband der Vorreini­ gung und belegt in Zusammenhang mit Fig. 3 (Wasseranspruchs­ funktion des Lastfalls) die Notwendigkeit der Maßnahme im Schwachlastbetrieb (≦ 55% Vollast), FS1 in einem geson­ derten Silo zwischenzulagern, wenn eine Baustoffproduktion erfolgt. Die hydraulischen Phasen der Filterstufe 1 errei­ chen die Größenordnung der Nachreinigungsasche aus Bei­ spiel 1.

Potentielle Phasen

Beispiel 4 Dampferzeuger mit Rostfeuerung; Dampferzeugerleistung: 36 t/h; Zyklonentstaubung (Aschekomponente 1) Dampferzeuger mit Mühlenfeuerung; Dampferzeugerleistung: 64 t/h; Elektrofilter (ΣFS; Komponente 2)

Auf Grund der unterschiedlichen normierten Körnungsbänder (Fig. 8) erübrigt sich eine Aschetrennung der Komponente 2. Da nach Fig. 8 die Elektrofilterasche einen geringeren Wasseranspruch als die Zyklonasche aufweist, folgt eine an­ steigende Gesamttendenz der Kurve.

Potentielle Phasen

Beispielgemäß erweist sich eine Kombination der langsam hydratisierenden für die Baustoffeigenschaften wertvollen Aluminat-Ferratphasen mit den rasch bindenden Aluminat- Phasen in eine Dispersion 85/15 als positive Merkmalskombi­ nation, nach der einer Bau- bzw. Dichtstoffnutzung zuführ­ bare Produkte aus Entstaubungsaschen herstellbar sind.

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung einer zu einem Bau- und/oder Dichtungsstoff hydratationsfähigen Aschedispersion, dadurch gekennzeichnet, daß durch Aufstellung einer Wasseranspruchsfunktion die aschespezifisch unterschied­ liche optimale Dispersion bestimmt sowie Überschußwasser grundsätzlich ausgeschlossen wird und daß eine Quali­ tätssicherung der herzustellenden Hydratationsprodukte ebenso wie eine Überwachung des technologischen Verwer­ tungsprozesses erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Filteraschen aus Rost- und/oder Mühlenkesseln unabhängig von ihrer Dampferzeugerleistung dispersoptimiert werden können.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Filteraschen und/oder Filteraschekompo­ nenten elektrischer und/oder mechanischer Entstaubungs­ anlagen miteinander kombiniert werden, sofern unter­ schiedliche Körnungsbänder der Komponenten vorliegen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Baustoffherstellung bei Verbrennungsprodukten mit­ teldeutscher Rohbraunkohle ohne Bindemittelzusatz durch­ geführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwertung hydraulisch inaktiver Aachen Kombinatio­ nen mit zusätzlichen Bindemitteln wie z. B. Hüttenzement und/oder Hydratkalk und/oder hydratationsaktiver Filter­ aschekomponenten unabhängig von unterschiedlichen Rein­ dichten diese Stoffe nach dem Prinzip des minimalen Bin­ demittelzuschlags zu realisieren sind.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dispersion inerte Zuschlagstoffe aus Gründen einer komplexen Entsorgung und/oder gezielter Eigenschafts­ veränderungen zugefügt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine drucklose Verdichtung der dispersen Massen erfolgt und sekundäre Kalk- und/oder Gipstreibprozesse auszu­ schließen sind.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß organische Bestandteile keinen festigkeitsmindernden Einfluß auf das Hydratationsprodukt ausüben.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Abprodukte wie Aschen aus Wirbelschichtfeuerungen, Salz­ kohleaschen, Gipse aus Rauchgasentschwefelungsanlagen stabil und wasserdicht eingeschlossen werden können.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dispersoptimierten Massen unter Wahrung der Dicht­ stoffeigenschaften über große Flächen verteilt werden können.

11. Verfahren nach vorherigem Anspruch, dadurch gekenn­ zeichnet, daß gefüllte Mülldeponien mit dispersopti­ mierten Massen umhüllt werden und somit einer Biogas­ nutzung und einer Rekultivierung zur Verfügung stehen.