DE4208124A1 - Verfahren zur inertisierung fester rueckstaende, insbesondere aus der abfallverbrennung und rauchgasreinigung, durch schmelzen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Inertisierung fester Rück­ stände, insbesondere aus der Abfallverbrennung und Rauchgasreini­ gung, durch Schmelzen, vorzugsweise von Rückständen, die anorga­ nische und/oder organische Schadstoffe oder deren Vorformen enthal­ ten.

Es ist bekannt, durch Schmelzen der Rückstände, insbesondere aus der Abfallverbrennung und Rauchgasreinigung, ein schadstoffarmes silicatisches Produkt zu erhalten, das in der Regel abgelagert wer­ den kann. Die bekannten Schmelzverfahren sind u. a. in Hegewaldt, F. Jochum, J.; Jodeit, H. und Wieckert, Ch.: Entgiftung von Filter­ staub aus Müllverbrennungsanlagen mit einem Elektroofen. Vortrag auf dem 34. Intern. Kolloquium der TH Ilmenau, Vortragsreihe A 4. Elektrowärme. 23.-27.10.1989 (im nachfolgenden /1/) und Faul­ stich, M.: Inertisierung fester Rückstände aus der Abfallverbren­ nung. Abfallwirtschaftsjournal 1 (1989) Nr. 7/8, S. 20-57 aufge­ führt. Bei Hegewaldt, F. und anderen /1/ wird beschrieben, die thermische Konditionierung von Filterstaub in einem Elektroofen mit verdeckten Lichtbogen, ähnlich einem geschlossenen Reduktions­ ofen, durchzuführen. Der Einsatz eines Lichtbogenofens zur Behand­ lung schadstoffhaltiger Rückstände ist auch der Zeitschrift Was­ ser, Luft und Boden 1991 Nr. 4, S. 32/33 zu entnehmen. Bei diesem Verfahren erfolgt die Wärmeerzeugung durch elektrische Widerstände im Schlackebett, wobei die Temperatur durch Anheben oder Absenken der Elektroden in der Schlacke gesteuert werden kann. Allen Reduk­ tionsschmelzverfahren ist gemeinsam, daß das erhaltenen silicati­ sche Produkt zu keinem glasartigen oder keramischen Werkstoff di­ rekt weiterverarbeitet werden kann. Das Schmelzprodukt ist bedingt ablagerungsfähig.

Faulstich, M.; Freudenberg, A.; Kley, G. und Köcher, P.: Thermody­ namische und mineralogische Überlegungen zur Inertisierung fester Rückstände aus der Abfallverbrennung, in: Thome-Kozmiensky, K.J. (Hrsg.): Müllverbrennung und Umwelt 4. Berlin 1990. EF-Verlag für Energie und Umwelttechnik, Seite 339 bis 359 schlagen vor, daß durch Beeinflussung der chemischen Reaktionen beim reduzierenden Schmelzen und durch Zusätze beispielsweise auch hochwertige Werk­ stoffe herstellbar sein sollen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schmelzverfahren für feste Rückstände, insbesondere aus der Abfallverbrennung und Rauchgasreinigung, zu schaffen, bei dem die Entfernung der Schad­ stoffe gelingt und das silicatische Schmelzprodukt unmittelbar zu Glaserzeugnissen oder Keramiken weiterverarbeitet werden kann. Die Erfindungsaufgabe wurde durch das in den Patentansprüchen auf­ geführte Verfahren gelöst.

Erfindungsgemäß werden die festen Rückstände reduzierend aufge­ schmolzen und daran anschließend oxydierend weitergeschmolzen und bzw. oder oxydierend behandelt sowie danach unmittelbar in an sich bekannter Weise zu Glaserzeugnissen und porösen oder dichten Kera­ miken weiterverarbeitet. Hinsichtlich der Art des anzuwendenden reduzierenden und oxydierenden Schmelzens bzw. der Art der oxydie­ renden Behandlung bestehen erfindungsgemäß grundsätzlich keine Einschränkungen.

In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das reduzierende Schmelzen im Elektroofen bei kurzem elek­ trischen Bogen, die kontinuierlich darauf folgende oxydierende Schmelzphase wird mit dem langen elektrischen Bogen durchgeführt.

Der Übergang vom kurzen zum langen elektrischen Bogen gelingt in einfacher Weise durch Anheben der Elektroden, wonach die Elektro­ den vorzugsweise annähernd den minimalen Teilkreisdurchmesser, das ist der Elektrodenabstand bei welchem gerade kein elektrischer Überschlag erfolgt, einnehmen sollten. Die beim Heben der Elek­ troden erforderliche Änderung der Strom-/Spannungswerte kann mit an sich bekannten Steuerungseinrichtungen schrittweise und/oder stufenlos vorgenommen werden. Dabei ist es vorteilhaft, während der oxydierenden Schmelzphase die Stromdichte an den Elektroden nahe der oberen Grenze ihrer spezifischen Balastbarkeit einzustel­ len.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemä­ ßen Verfahrens wird in einem geschlossenen Lichtbogenofen mit min­ destens einer Beschickungs- und Absaugöffnung sowie einem Ausguß das feste Ausgangsmaterial reduzierend aufgeschmolzen, die erzeug­ te Schmelze über den Ausguß in an sich bekannter Weise unmittelbar in einen zweiten geschlossenen Lichtbogenofen mit mindestens einer Zulauföffnung und mindestens einer Absaugöffnung sowie einem Aus­ guß überführt und daselbst oxydierend weitergeschmolzen sowie da­ ran anschließend unmittelbar in an sich bekannter Weise zu Glaser­ zeugnissen oder porösen bzw. dichten Keramiken weiterverarbeitet. Diese Ofenanordnung gestattet das Durchführen des erfindungsgemä­ ßen Verfahrens in kontinuierlicher Fahrweise.

Die vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgen in geschlossenen Lichtbogenöfen mit Beschickungs- und Ab­ saugöffnungen sowie mindestens einem Ausguß. Ein für das erfin­ dungsgemäße Verfahren geeigneter Lichtbogenofen ist in der älteren Anmeldung DE 41 24 101 beschrieben. Während des reduzierenden Schmelzens sind die entstehenden gasförmigen Stoffe aus dem Ofen­ raum abzusaugen und können außerhalb des Ofenraumes niedergeschla­ gen und/oder aufgearbeitet werden. Nach dem kontinuierlichen Über­ gang zur oxydierenden Schmelze sollte vorteilhafterweise durch den Ofenraum oberhalb der Schmelzoberfläche Luft durchströmen.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das reduzierend aufgeschmolzenen Ausgangsmaterial unmittel­ bar nach Ausgießen oder während des Ausgießens in an sich bekann­ ter Weise mit sauerstoffhaltigen Gasen, vorzugsweise Luft, verfa­ sert. Bei dieser Verfaserung findet die oxydierende Behandlung der Schmelze und die Weiterverarbeitung zu Glaserzeugnissen nahe­ zu gleichzeitig statt. Eine weitere Ausführung dieses Verfahrens besteht im Schmelzen der festen Rückstände mit dem kurzen elektri­ schen Bogen und Weiterverarbeitung der Schmelze in Gegenwart von Luft, beispielsweise Preßluft, zu Glaserzeugnissen mit vergleichs­ weise hoher Oberfläche pro Masseeinheit, vorzugsweise zu Glaswolle oder Hüttenbimse.

Die Schmelze der festen Rückstände mit dem kurzen elektrischen Bo­ gen weist gegenüber den vorbekannten reduzierenden Schmelzverfah­ ren (getauchte oder gedeckte Elektroden; Einleiten von Stickstoff) mehrere Vorteile auf. Zum einen gelingt es mit dem kurzen Bogen reproduzierbar definierte Reduktionsbedingungen in der Schmelze einzustellen, unabhängig vom Kohlenstoffgehalt der eingesetzten festen Rückstände. Zum anderen bewirkt der kurze elektrische Bogen eine große Austauschfläche der Schmelze, insbesondere für die ver­ dampfenden Stoffe und ggf. für die Gase des Ofenraumes, beispiels­ weise für Reste Luft, und last not least schafft der kurze elektri­ sche Bogen eine höhere Ofenraumtemperatur, die sich wiederum für die Zerstörung verdampfender organischer Verbindungen, z. B. Dioxi­ ne, vorteilhaft auswirkt.

Die reduzierende Schmelzphase führt einerseits zum Verdampfen der bei Schmelztemperatur flüchtigen Stoffe und andererseits zur Bil­ dung eines sich unterhalb der silicatischen Schmelze sammelnden Metallbades. Vorhandene organische Verbindungen, beispielsweise Dioxine, werden beim reduzierenden Schmelzen ausgetrieben und zer­ stört, insbesondere bei Anwendung des kurzen elektrischen Bogens. Durch die oxydierende Schmelzphase und/oder die oxydierende Be­ handlung wandelt sich die silicatische Schmelze, wonach diese un­ mittelbar in an sich bekannter Weise zu Glaserzeugnissen oder po­ rösen bzw. dichten Keramiken weiterverarbeitet werden kann. Wäh­ rend die chemischen Vorgänge beim reduzierenden Schmelzen weit­ gehend beschrieben wurden, sind die Vorgänge beim oxydierenden Schmelzen und/oder der oxydierenden Behandlung in allen Einzel­ heiten noch nicht bekannt. Es kann aber davon ausgegangen werden, daß die oxydierende schmelze/Behandlung nicht einfach eine Ent­ gasung der Schmelze bewirkt, sondern auch eine darüberhinaus ge­ hende Homogenisierung und Reinigung, beispielsweise dem Abbau von in situ bei der Reduktion gebildeter Spezies. Es hat sich ge­ zeigt, daß derartige Spezies die Weiterverarbeitung der reduzie­ rend erzeugten Schmelze unmittelbar zu Glaserzeugnissen und mehr noch zu Keramiken behindern. Jedoch, es ist nicht für jeden Zweck der Weiterverarbeitung der reduzierend erzeugten Schmelze zwin­ gend erforderlich, daß die gesamte Schmelze durchgehend oxydiert wird. Bei Erzeugnissen mit vergleichsweise hoher spezifischen Oberfläche (Oberfläche pro Masseeinheit), beispielsweise Glaswol­ le oder hochporöse Erzeugnisse, reicht erfindungsgemäß die oxydie­ rende Behandlung bei der Formgebung der Schmelze aus. Hierbei werden die oberflächennahen Schichten des Formkörpers in der ge­ nannten Weise homogenisiert und gereinigt.

Unter festen Rückständen der Müllverbrennung und der Rauchgasrei­ nigung werden erfindungsgemäß die bei der Verbrennung von Haus- und Sondermüll anfallenden Schlacken, Aschen und Flugstäube oder Gemische derselben verstanden. Die chemische Zusammensetzung die­ ser Rückstände teilt u. a. Faulstich, M.: Inertisierung fester Rückstände aus der Abfallverbrennung. Abfallwirtschaftsjournal 1 (1989) Nr. 7/8, S. 20 bis 57 mit.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können den festen Rückständen bis zu 50 Masse-% an sich bekannter Stoffe, vorteil­ hafterweise Feldspäte, gebrannter Kalk, Tonerde u. a., zugesetzt werden. Hierdurch gelingt es, die Palette der Glaserzeugnisse oder porösen bzw. dichten Keramiken zu erweitern, ohne die Inerti­ sierung in den Hintergrund zu drängen. Auf Einzelheiten dieser Variante wird im Anspruch 6 hingewiesen.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung wird durch nachfolgende Beispiele näher erläutert, wobei die Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt ist.

fester Rückstand

Elektrofilterstaub der chemischen Zusammenset­ zung (in Masse-%):
40,3 SiO₂; 16,3 Al₂O₃; 11,9 CaO; 3,74 Fe₂O₃;
3,91 K₂O; 3,75 Na₂O; 2,98 MgO; 2,97 ZnO; 1,40 TiO₂; 6,83 SO₃; 1,26 P₂O₅; 0,29 PbO; 0,27 SnO₂;
0,09 NiO und 0,05 CdO (im folgenden Rohstoff).

Schmelzaggregat

Für die Beispiele wurde der in der älteren An­ meldung DE P 41 24 101 beschriebene Lichtbogen­ ofen benutzt.

Beispiel 1

50 kg Rohstoff wurden im Lichtbogenofen mit dem kurzen elektrischen Bogen reduzierend aufgeschmolzen und nach Beendigung der Gasentent­ wicklung kurze Zeit weiter geschmolze. Nunmehr erfolgte das Gießen der Schmelze dergestalt, daß die Schmelze unmittelbar nach Verlas­ sen des Ofens von einem Preßluftstrahl mit 6 bar erfaßt, durch die­ sen zerteilt und in einem 6 m langen Kanal verfasert wird. Es ent­ standen Glasfaserknäuel, die sich anstelle von Mineralwolle als Isoliermaterial verwenden ließen.

Nach Auslaugen der silicatischen Fasern gemäß dem Deutschen Ein­ heitsverfahren S 4 und dem Schweizer Auslagtest lagen im Eluat die Konzentrationen der umweltrelevanten Metalle signifikant unter den Grenzwerten der Trinkwasserverordnung.

Beispiel 2

75 kg Rohstoff werden im Trockenmischer mit 10 kg Al₂O₃und 5 kg CaO gemischt, das erhaltene Gemenge im Lichtbogenofen wie im Bei­ spiel 1 aufgeschmolzen, kurz beruhigen gelassen und unmittelbar weiterverarbeitet. Das erhaltenen Glasfasererzeugnis entspricht in seinem Isolierverhalten und in seiner chemischen Resistenz dem Erzeugnis, hergestellt in Beispiel 1.

Beispiel 3

75 kg des Gemenges nach Beispiel 2 wurden im Lichtbogenofen bei kurzem elektrischen Bogen aufgeschmolzen bis die Gasentwicklung beendet war. Nunmehr erfolgte durch Anheben der Elektroden der kontinuierliche Übergang zur oxydierenden Schmelzphase. Während der oxydierenden Schmelze wurde durch den Ofenraum Luft durchge­ leitet. Nach Beendigung der oxydierenden Schmelze erfolgte der Gießvorgang. Ein Teil der Schmelze wurde in Formen gegossen, die Formen anschließend getempert und die Steine entnommen. Der letz­ te Teil der Schmelze wurde unmittelbar nach Verlassen des Ofens wie in Beispiel 1 mit Reinststickstoff eines Druckes von 6 bar verfasert.

Die chemische Resistenz der erhaltenen Erzeugnisse entsprechen denen des Beispieles 1.

Temperaturen

Die Temperatur der Schmelze an der Ausgießöffnung des Lichtbogen­ ofens wurde kurz nach Gießbeginn pyrometrisch gemessen und betrug: im Beispiel 1 = 1300°C; im Beispiel 2 = 1400°C und im Beispiel 3 = 1450°C.

Claims (6)

1. Verfahren zur Inertisierung fester Rückstände, insbesondere aus der Abfallverbrennung und Rauchgasreinigung, durch Schmelzen, dadurch gekennzeichnet, daß die festen Rückstände reduzierend aufgeschmolzen und daran anschließend oxydierend weitergeschmolzen und/oder oxydierend behandelt und sodann in an sich bekannter Weise zu Glaserzeug­ nissen oder porösen bzw. dichten Keramiken weiterverarbeitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die festen Rückstände in einem Lichtbogenofen mit dem kur­ zen elektrischen Bogen aufgeschmolzen und daran anschließend mit dem langen elektrischen Bogen weitergeschmolzen und sodann in an sich bekannter Weise zu Glaserzeugnissen oder porösen bzw. dichten Keramiken weiterverarbeitet werden, wobei vorzugsweise der Übergang vom kurzen elektrischen Bogen zum langen elektri­ schen Bogen durch Anheben der Elektroden, bevorzugt beim gleich­ zeitigen Einstellen der Elektroden auf nahezu den minimalen Teilkreisdurchmesser, vorteilhafterweise bei gleichzeitigen stu­ fenlosen oder schrittweisen Anlegen einer Stromdichte nahe der oberen Grenze der spezifischen Belastbarkeit der Elektroden, erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• - in einem geschlossenen Ofen mit mindestens einer Beschickungs- und mindestens einer Abzugöffnung sowie einem Ausguß der feste Rückstand reduzierend aufgeschmolzen, vorzugsweise mit direk­ ter elektrischer Widerstandsheizung, bevorzugt mit dem kurzen elektrischen Bogen,
• - die Schmelze in an sich bekannter Weise unmittelbar in einen zweiten Ofen, der mindestens eine Beschickungs- und mindestens eine Abzugöffnung sowie mindestens einen Ausguß aufweist, über­ führt,
• - darin oxydierend weitergeschmolzen, vorzugsweise mit dem lan­ gen elektrischen Bogen, wobei bevorzugt die Elektroden auf nahezu den minimalen Teilkreisdurchmesser eingestellt sind und vorteilhafterweise eine Stromdichte nahe der oberen Grenze der spezifischen Belastbarkeit der Elektroden angelegt ist,
• - und sodann in an sich bekannter Weise zu Glaserzeugnissen oder porösen bzw. dichten Keramiken weiterverarbeitet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die festen Rückstände reduzierend aufgeschmolzen und die Schmelze sodann mittels sauerstoffhaltigen Gasen, vorzugsweise Luft, zu Glaserzeugnissen, die sich zur Weiterverarbeitung zu Dämm- und Isolierstoffen eignen, verfasert werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die festen Rückstände mit dem kurzen elektrischen Bogen aufgeschmolzen und die Schmelze sodann mit Luft zu Glaserzeug­ nissen verfasert werden.

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die festen Rückstände mit bis zu 50 Masse-% an sich bekann­ ter Stoffe gemischt werden, so daß nach der oxydierenden Schmel­ ze und/oder der oxydierenden Behandlung ein Erzeugnis entsteht, das zusätzlich zu der Zusammensetzung der aus den festen Rück­ ständen verbleibenden Schmelze
bis zu 15 Masse-% R₂O, bevorzugt Na₂O, und/oder
bis zu 15 Masse-% CaO und/oder
bis zu 10 Masse-% RO (außer CaO) und/oder
bis zu 20 Masse-% Al₂O₃ und/oder
bis zu 5 Masse-% R₂O₃ (außer Al₂O₃), bevorzugt 13203, und/oder
bis zu 5 Masse-% Farboxide und/oder
bis zu 3 Masse-% andere Komponenten enthält.