DE4340754A1 - Verfahren zur verstärkten Abreicherung von Schwermetallverbindungen bei der thermischen Inertisierung von schwermetallhaltigen Rückständen - Google Patents

Verfahren zur verstärkten Abreicherung von Schwermetallverbindungen bei der thermischen Inertisierung von schwermetallhaltigen Rückständen

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Description

Zahlreiche Abfallarten stellen ein hohes Umweltgefährdungspotential aufgrund von auslaugbaren Schwermetallen dar. Diverse Untersuchungen haben gezeigt, daß unter bestimmten Bedingungen durch Sintern oder durch Schmelzen und Verglasen eine Inertisierung von silikathaltigen nicht brennbaren Rückständen erreicht werden kann. Ziel der thermischen Inertisierung ist im allgemeinen eine Einbindung und Immobilisierung von umweltrelevanten Schwermetallen in die gebildete Glas- oder Sintermatrix. Die thermischen Inertisierungsverfahren sind zur Behandlung von Abfällen der Obergruppe 3 des Abfallartenkataloges (Abfälle mineralischen Ursprungs) und insbesondere folgender Rückstände aus Verbrennungsanlagen geeignet:
Tabelle 1 Klassifizierung der untersuchten Rückstände im Abfallartenkatalog [LAGA- Informationsschrift Abfallarten. Länderarbeitsgemeinschaft Abfall (LAGA) (Hrsg.), Abfallwirtschaft in
rschung und Praxis 41, Erich Schmidt Verlag, Berlin (1992) 1- 196; Verordnung zur Bestimmung von Abfällen nach §2 Abs. 2 des Abfallgesetzes (Abfallbestimmungs-Verordnung - AbfBestV). Straub, H.; Hösel, G.; Schenkel, W. (Hrsg.), Müll-Handbuch 1, Lieferung 4/90, Erich Schmidt Verlag, Berlin (1964) Kennzahl 0513; Verordnung zur Bestimmung von Reststoffen nach §2 Abs. 3 des Abfallgesetzes (Reststoffbestimmungs-Verordnung - RestBestV). Straub, H.; Hösel, G.; Schenkel, W. (Hrsg.), Müll-Handbuch 1, Lieferung 4/90, Erich Schmidt Verlag, Berlin (1964) Kennzahl 0514]
Zur thermischen Inertisierung dieser Rückstände wurden diverse Verfahren und Öfen entwickelt und in der Literatur beschrieben. Tabelle 2 zeigt eine Übersicht über die wichtigsten Verfahren.
Tabelle 2
Verfahren zur thermischen Inertisierung von Rückständen der Müllverbrennung (Literaturangaben zu dieser Tabelle auf der nächsten Seite)
[1] Faulstich, M.: Inertisierung fester Rückstände aus der Abfallverbrennung. Abfallwirtschaftsjournal 1, Nr.7/8 (1989) 21-56
[2] Horch, K.; Schetter, G.; Räbiger, W.: Brenn-Schmelz-Verfahren zur Verglasung von Schlacke und Filterasche. VDI-Seminar, Nr. 43-76-01, Schlackeaufbereitung, -verwertung und -entsorgung (1992) 1384
[3] GIeis, M.; Hoffmann, G.: Behandlungsverfahren zur Verbesserung der Umweltverträglichkeit von Rückständen aus der Verbrennung von Hausmüll. Fortbildungszentrum Gesundheits- und Umweltschutz Berlin (Hrsg.), Seminar Rückstände aus Abfallverbrennungsanlagen 31 (1992) 43-61
[4] Haltiner, E.W.: Filterstaub entgiften und verwerten. Entsorgungs-Technik (1990) 45-48
[5] Bundesminister für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit: Siebzehnte Verordnung zur Durchführung des Bundesimmissionsschutzgesetzes vom 23. November 1990 (Verordnung über Verbrennungsanlagen für Abfälle und ähnliche brennbare Stoffe - 17. BlmSchV). Abfallwirtschaftsjournal 3 (1991) 110-119
[6] Fujimoto, T.; Shin, K.; Shioyama, M.: Aufbereitung von Verbrennungsrückständen mit dem Hochtemperaturschmelzverfahren. Müll und Abfall 21, Nr.2 (1989) 64-70
[7] Faulstich, M.; Freudenberg, A.; Kley, G.; Köcher, P.; Schuhmacher, W.: Verfahren zur weitergehenden thermischen Inertisierung von Rückständen aus Müllverbrennungsanlagen. VDI- Seminar, Nr. 43-76-01, SchIackeaufbereitung, -verwertung und -entsorgung (1992) 1423
[8] Klein, H.: Thermische Aufarbeitung von Flug- und Filterstäuben aus Müllverbrennungsanlagen durch Plasmaofen-Technik. Bundesministerium für Forschung und Technologie (BMFT) (Hrsg.), Krupp MaK (1989) 1-40
[9] Anonymus: Filterstaub vernichten mit Plasmaschmelze. Chemische Rundschau 9 (1990)
[10] Köcher, P.; Kley, G.; Freudenberg, A.; Faulstich, M.: Thermochemische Behandlung von Müllverbrennungsrückständen. Thom´ Kozmiensky, K.J. (Hrsg.), Reaktoren zur thermischen Abfallbehandlung, EF Verlag für Energie und Umwelttechnik, Berlin (1993) 267-281
[11] Brunner, M.: Von Roll Schlackebehandlung im Drehrohr. VDl-Seminar, Nr. 43-76-01, Schlackeaufbereitung, -verwertung und -entsorgung (1992) 1389
[12] Mayer-Schwinning, G.; Merlet, H.; Pieper, H.; Zschocher, H.: Verglasungsverfahren zur Inertisierung von Rückstandsprodukten aus der Schadstoffbeseitigung bei thermischen Abfall­ beseitigungsanlagen. VGB Kraftwerkstechnik 70, Nr.4 (1990) 332-336.
Zur Optimierung der Glasbildung ist in der Literatur von Zuschlagstoffen, meist Stoffe mit hohem Gehalt an Silikaten, berichtet worden, die den Rückständen zugegeben werden [Mayer-Schwinning, G.; Merlet, H.; Pieper, H.; Zschocher, H.: Verglasungsverfahren zur Inertisierung von Rückstands­ produkten aus der Schadstoffbeseitigung bei thermischen Abfallbeseitigungsanlagen. VGB Kraftwerkstechnik 70, Nr. 4 (1990) 332-336]. Durch Zugabe silikathaltiger Schlacke zu Filterstäuben aus quasitrockener Rauchgasreinigung wurden Gläser erhalten, die, aufgrund des hohen Anteils von Calciumverbindungen aus der Rauchgasreinigung, nicht ohne Zuschlagstoffe verglasbar sind [Gohlke, O.; Bieniek, D.; Melero, R.; Kettrup, A.: Vitrification of residues from municipal waste incineration plants. Fresenius Environmental Bulletin 1(1992) 191-196].
Bei der Verglasung muß jedoch immer auch die Verdampfung von Schwermetallverbindungen berücksichtigt werden. Die Verdampfung kann einerseits erwünscht sein, da man ein an Schwermetallen abgereichertes Glas- oder Sinterprodukt mit geringerem Auslaugpotential erhält, andererseits fallen bei der notwendigen Abgasreinigung dann jedoch Schwermetallkonzentrate an, die nur unter besonderen Sicherheitsvorkehrungen gelagert oder wiederverwertet werden können.
Insbesondere zur Verglasung von Filterstäuben sind Verfahren beschrieben worden, die durch besondere technische Maßnahmen, z. B. Beheizung der Schmelze von oben, eine Abreicherung von Schwermetallen durch Verdampfung anstreben [Jochum, J.; Jodeit, H.; Wieckert, C.: ABB- Schmelzverfahren zur Entgiftung von Filterstäuben aus Müllverbrennungsanlagen. Sonderdruck ABB Forschungszentrum, CH-5405 Baden (1990); Jochum, J.; Schmidl, E.; Simon, F.-G.; Wieckert, C.: Durchführung von Pilotversuchen zur Aufbereitung und Entsorgung von Filterstaub aus Kehrichtverbrennungsanlagen. ABB, Baden (CH) (1990) 1-60; Baccini, P.; Stämpfli, D.; Gamp, E.; Hofer, P.; Kläntschi, N.; Vonmont, H.: Stoffflußanalyse der thermischen Behandlung von Elektrofilterstaub durch die Pilotanlage der ABB in der KVA der KEZO in Hinwil. EAWAG, Dübendorf (CH) (1990) 1-28]. Die verdampften Schwermetalle werden in Filtersystemen als Kondensate bzw. Schwermetallkonzentrate abgeschieden und können metallurgisch aufbereitet oder untertage deponiert werden. Trotz dieser Entwicklungen im Ofenbau konnten mit konventionellen wider­ standsbeheizten Öfen bei der Verglasung von Filterstäuben aus Müllverbrennungsanlagen nicht die Grenzwerte der Schweizer "Inertstoffverordnung" [Eidgenössisches Departement des Innern: Technische Verordnung über Abfälle (1990)] eingehalten werden.
In einer Versuchsanlage wurden bei der Verglasung von Filterstäuben ca. 95% des Bleis, 50% des Zinks und 40% des Kupfers abgedampft [Jochum, J.; Schmidl, E.; Simon, F.-G.; Wieckert, C.: Durchführung von Pilotversuchen zur Aufbereitung und Entsorgung von Filterstaub aus Kehrichtverbrennungsanlagen. ABB, Baden (CH) (1990) 1-60]. Nach der Schweizer technischen Verordnung über Abfälle ("Schweizer Inertstoffverordnung") darf ein Inertstoff die in Tabelle 2 dargestellten Grenzwerte nicht überschreiten [Eidgenössisches Departement des Innern: Technische Verordnung über Abfälle (1990)].
Tabelle 3
Schwermetallgrenzwerte für Inertstoffe in der Schweiz und Schwermetallgehalte von verglasten Filterstäuben (in mg/kg)
Andere Verfahren erreichen eine noch stärkere Abdampfung durch die Verwendung von speziellen Plasmaöfen, mit denen man Temperaturen über 2000°C erreichen kann [Klein, H.: Thermische Aufarbeitung von Flug- und Filterstäuben aus Müllverbrennungsanlagen durch Plasmaofen-Technik. Bundesministerium für Forschung und Technologie (BMFT) (Hrsg.), Krupp MaK (1989) 1-40].
Aus Tabelle 2 ist ersichtlich, daß z. B. ein in konventionell-widerstandsbeheizten Öfen verglaster Filterstaub aufgrund des hohen Zink- und Bleigehaltes nicht sicher die Voraussetzung als Inertstoff im Sinne der Schweizer technischen Verordnung über Abfälle erfüllt. Dies hat weitreichende Konsequenzen für die Deponierung und Verwertung.
Dieses Problem wird durch das in Anspruch 1 aufgeführte Verfahren gelöst. Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß aufgrund der Zuschlagstoffe die erhaltenen Gläser oder Sinterprodukte einen verringerten Schwermetallgehalt aufweisen und somit bessere Elutionseigenschaften haben. Die Grenzwerte der Schweizer technischen Verordnung über Abfälle können somit auch mit fossil oder durch elektrisch-widerstandbeheizten Öfen bei Temperaturen zwischen 1100°C und 1500°C erreicht werden, ohne das auf die aufwendigen und energieintensiven Hochtemperatur-Plasmaöfen zurückgegriffen werden muß.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentanspruch 2 angegeben. Durch Verwendung von Zuschlagstoffen, die Hydrate, Carbonate, Sulfate oder Sulfite enthalten, erreicht man eine Freisetzung von Gasen, die zu einem Austreiben "Strippen" der Schwermetallverbindungen führen kann.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentanspruch 3 angegeben. Durch die Verwendung von Reststoffen, die Hydrate, Carbonate, Sulfate oder Sulfite enthalten, werden Abfallströme vereinigt und zu verwertbaren Gläsern oder Sinterprodukten umgeformt. Der schwermetallhaltige Rückstand erlaubt die Bildung eines Glas oder Sinterproduktes mit guter Immobilisierung verbleibender Schwermetallverbindungen, während der "gasbildende" Zuschlagstoff eine optimierte Schwermetallbereicherung des Glas- oder Sinterproduktes ermöglicht.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentanspruch 4 angegeben. Thermische Analysen eines Filterstaubes aus einer quasitrockenen Rauchgasreinigungsanlage (FSQT) in Abb. 1 zeigen beispielhaft die Zersetzungen von Hydraten, Carbonaten, Sulfaten und Sulfiten, die zu einer Freisetzung von H₂O, CO₂ und SO₂ führen und somit ein "strippen" der Schwermetallverbindungen ermöglichen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentanspruch 5 angegeben. Schwermetalle liegen in den in Tabelle 1 beschriebenen Restoffen in erheblichen Mengen als hochsiedende Oxide oder Carbonate, die sich bei der thermischen Behandlung zu Oxiden zersetzen, vor. Durch kohlenstoffhaltige Zuschlagstoffe wie z. B. Aktivkohle, Grafit, Anthrazit oder Braunkohle in Proportionen von 5-20% kann eine Reduktion der Schwermetalloxide erreicht werden. Die umweltrelevanten Schwermetalle haben höhere Dampfdrücke (Abb. 2) in ihrer reduzierten elementaren Form und werden somit verstärkt abgedampft.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentanspruch 6 angegeben. Durch die Zugabe von 5-20% an Reststoffen, die Kohlenstoff in Form von Aktivkohle, Grafit, Anthrazit, Braunkohle enthalten , werden Abfallströme vereinigt und zu verwertbaren Gläsern oder Sinterprodukten umgeformt. Der schwermetallhaltige Rückstand erlaubt die Bildung eines Glas oder Sinterproduktes mit guter Immobilisierung verbleibender Schwermetallverbindungen, während der kohlenstoffhaltige, als Reduktionsmittel wirkende Zuschlagstoff, eine optimierte Schwermetallabreicherung des Glas- oder Sinterproduktes ermöglicht.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentanspruch 7 angegeben. Besonders günstig ist die Zugabe von 5-20% beladener Aktivkohle oder Braunkohlekoks aus der Rauchgasreinigung. Der reduzierende Zuschlagstoff führt zu einer verstärkten Verdampfung und somit Abreicherung der umweltrelevanten Schwermetalle. Gleichzeitig wird die Entsorgung der beladenen Aktivkohle bzw. des beladenen Braunkohlekokses gelöst, da es bei den Inertisierungstemperaturen zu einer Zerstörung organischer Schadstoffe und zu einer Einbindung bzw. Abdampfung metallischer Schadstoffe kommt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentanspruch 8 angegeben. Schwermetalle liegen in den in Tabelle 1 beschriebenen Restoffen in erheblichen Mengen in hochsiedender, elementarer Form, als Oxide oder als Carbonate, die sich bei der thermischen Behandlung zu Oxiden zersetzen, vor. Diese Verbindungen können mit Chloriden als Salz oder mit durch Zersetzung entstehendem Chlor oder Chlorwasserstoff zu Schwermetallchloriden reagieren. Die entstehenden Chloride der umweltrelevanten Schwermetalle haben wesentlich höhere Dampfdrücke als die elementaren oder oxidischen Schwermetalle (Abb. 2). Die Chloride werden als Salz (z. B. CaCl₂) oder als kovalent gebundenes Chlor (z. B. PVC) in Proportionen von 1-30% zugegeben.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentanspruch 9 angegeben. Durch die Verwendung von Reststoffen, die Alkali oder Erdalkalichoride enthalten, werden Abfallströme vereinigt und zu verwertbaren Gläsern oder Sinterprodukten umgeformt. Der schwermetallhaltige Rückstand erlaubt die Bildung eines Glas oder Sinterproduktes mit guter Immobilisierung verbleibender Schwermetallverbindungen, während der Alkali- oder Erdalkalichlorid enthaltende Zuschlagstoff eine optimierte Schwermetallabreicherung des Glas- oder Sinterproduktes ermöglicht.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentanspruch 10 angegeben. Besonders günstig ist die Zugabe von Reaktionssalzen aus der Rauchgasreinigung, oder deren Gemische mit Flugasche, wie sie in Anlagen mit quasitrockener Rauchgasreinigung anfallen. Dieser Alkali- oder Erdalkalichloridhaltige Zuschlagstoff führt zu einer verstärkten Verdampfung und somit Abreicherung der umweltrelevanten Schwermetalle. Gleichzeitig wird die Entsorgung des Zuschlagstoffes (Reaktionsprodukte der Rauchgasreinigung) gelöst, da die enthaltenen Schwermetalle durch Verdampfung abgereichert werden und die restlichen Schadstoffe in die Glas- oder Sintermatrix eingebunden werden.
Zugabe von Calciumchlorid (Umsetzung der Schwermetalloxide zu Chloriden)
Schwermetallchloride haben erheblich niedrigere Siedetemperaturen als die entsprechenden Oxide. Deshalb soll untersucht werden, ob die Schwermetalloxide des MVA-Filterstaubes durch Zugabe von Chloriden in die entsprechenden Schwermetallchloride überführt werden können und ob dies eine verstärkte Schwermetallabdampfung zur Folge hat.
Als Zuschlagstoff für Filterstaub bietet sich Calciumchlorid an, da es in konventionellen Müllverbren­ nungsanlagen bei der Rauchgasreinigung anfällt. Calciumchlorid wird so zugemischt, daß die Gläser aus den Versuchen CL und GASCARB1 die gleichen Calciumgehalte haben und somit vergleichbar sind. In dem Versuch GASCARB1 wurde Calciumoxid dem Filterstaub zugegeben.
Versuchsbedingungen
Temperatur:|1300°C
Versuch VERT: 30 g Filterstaub FSMVA
Versuch GASCARB1: 20 g Filterstaub FSMVA
3,00 g Calciumoxid (53,6 mmol 120 g Filterstaub = 2,7 mmol Calcium/g Filterstaub)
Versuch CL: 40 g Filterstaub FSMVA
11,78 g Calciumchlorid (110 mmol/40 g Filterstaub = 2,7 mmol Calcium/g Filterstaub)
Calciumgehalt der Probe 21,0%
Tabelle 4
Schwermetallkonzentrationen im Glas bei Zugabe von Calciumchlorid (in mg/g)
Eine Erhöhung des Calciumchloridgehaltes führt zu einer verstärkten Abdampfung der Schwermetalle Kupfer und Zink (Tabelle 4 und Abb. 3, 4 und 5). Für Blei und Cadmium kann keine Aussage gemacht werden, da bei dem Kontrollversuch (Zugabe von Calciumoxid) die Cadmiumkonzentration unter der Bestimmungsgrenze und die Bleikonzentration nur knapp über der Bestimmungsgrenze lag.

Claims (10)

1. Verfahren zur thermischen Inertisierung (Schmelzen, Sintern oder Verglasen) von schwermetallhaltigen Rückständen, dadurch gekennzeichnet, daß Zuschlagstoffe zugegeben werden, die eine Verdampfung von umweltrelevanten Schwermetallen und somit die Trennung dieser Schwermetalle von der Matrix fördern.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuschlagstoffe Hydrate, Carbonate, Sulfate, Sulfit enthalten, die bei der thermischen Behandlung Gase freisetzen und somit einen Effekt der Austreibung ("Stripping") von Schwermetallverbindungen hervorrufen.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuschlagstoffe Reststoffe sind.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reststoffe Reaktionsprodukte der Rauchgasreinigung oder gealterte Müllverbrennungsschlacken oder Fraktionen dieser Schlacken sind.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuschlagstoffe Kohlenstoff enthalten, der eine Reduktion der schwerflüchtigen Schwermetalloxide und somit eine verstärkte Verdampfung der reduzierten, elementaren Schwermetalle bewirkt, die im allgemeinen einen niedrigeren Dampfdruck haben (Abb. 2).
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuschlagstoffe Reststoffe sind.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Reststoffe beladene Aktivkohlen oder Braunkohlen sind, die in der Rauchgasreinigung zur Abscheidung von Schadstoffen verwendet wurden.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuschlagstoffe Chloride enthalten, die mit Schwermetallverbindungen zu leichter flüchtigen Schwermetallchloriden reagieren (Abb. 2).
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuschlagstoffe Reststoffe sind, die Alkali- oder Erdalkalichloride enthalten.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Reststoffe Reaktionsprodukte der Rauchgasreinigung sind.
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