State-of-the-art and comparison of incineration and gasification of residues and waste

Abstract

In der Europäischen Union fällt von Jahr zu Jahr mehr Müll an, der entsorgt werden muss. Da es eine gesetzliche Verpflichtung gibt, Müll vor der endgültigen Deponierung zu behandeln, gewinnt die thermische Nutzung von Rest- und Abfallstoffen immer mehr an Bedeutung.<br />In dieser Arbeit werden zwei thermische Abfallnutzungsverfahren, Müllverbrennung und Müllvergasung, verglichen. Dazu wird der Stand der Technik beider Technologien erhoben und zusammengefasst. Der Vergleich zeigt die Stärken und Schwächen der beiden Verfahren und zukünftige Potentiale. Müllverbrennung ist das wichtigste thermische Verfahren zur Abfallbehandlung und ist in Europa Stand der Technik. Dabei werden Schadstoffe sicher zerstört und der thermische Energieinhalt des Mülls kann genutzt werden. Eine Müllverbrennungsanlage besteht aus einer Feuerung, in der Müll verbrannt und die chemisch gebundene Energie als Wärme freigesetzt wird. Das heiße Abgas gibt die Wärme an das Wasser in den Heizflächen im Dampferzeuger ab. Die Energie, die im Abfall gespeichert war, kann zur Heißwasser-, Dampf- oder Stromerzeugung verwendet werden. Das Rauchgas muss anschließend gereinigt werden. In der trockenen Rauchgasreinigung wird Staub und Flugasche abgeschieden.<br />HCl und HF werden im sauren Wäscher abgetrennt, im basischen Wäscher reagiert SO2 zu Gips. In der katalytischen Rauchgasreinigung werden Dioxine und Furane zerstört und NOx Emissionen verringert. Durch die Müllverbrennung wird das Reststoffvolumen, das deponiert werden muss, auf ein Zehntel reduziert. Der zweite thermische Verwertungsweg für Rest- und Abfallstoffe ist die Müllvergasung. Dabei werden aus kohlenstoffhaltigen Stoffen brennbare Gase durch die Reaktion mit dem Vergasungsmittel erzeugt. Durch die Erzeugung eines Gases kann nicht nur der thermische Energieinhalt des Abfalls genutzt werden, es eröffnen sich auch neue Anwendungsmöglichkeiten. Das Gas kann in einem konventionellen Dampfprozess zu Strom und Wärme umgesetzt werden, aber auch in Gasmotoren oder Gasturbinen mit höherem Wirkungsgrad verstromt werden.<br />In einem Gas- und Dampfprozess kann das heiße Abgas der Gasturbine in einem Abhitzekessel nochmals zur Strom- und Wärmegewinnung verwendet werden. Nach weiteren Gasreinigungsschritten kann das Gas auch in chemischen Synthesen eingesetzt werden, um so daraus flüssige Treibstoffe, synthetisches Erdgas oder andere Chemikalien herzustellen. Es wurden in der Vergangenheit verschiedene Müllvergasungsprozesse entwickelt, die aber auf Grund von technischen und/oder wirtschaftlichen Problemen wieder eingestellt wurden. Auf dem Gebiet der Biomassevergasung jedoch wurde in den letzten Jahrzehnten intensiv geforscht und die Vergasungstechnologie dadurch deutlich weiterentwickelt. Der Wirbelschichtvergaser in Güssing ist eines der erfolgreichen Beispiele dafür. Diese Technologie steht nun am Sprung zur Kommerzialisierung. In Anbetracht dieser Entwicklungen gibt es nun sicherlich großes Potential für die Müllvergasung. Die Entwicklung eines neuen Müllvergasungsprozesses, basierend auf den Erkenntnissen der Biomassevergasung, wird Gegenstand weiterer Forschungsarbeiten sein.

More and more waste is generated every year which has to be disposed. There is a legal obligation to treat waste before it can be landfilled in the European Union. Thus, thermal waste treatment is a very important issue. In this work two pathways of thermal waste treatment, incineration and gasification, are compared. For this purpose, literature on both technologies has been reviewed and the state-of-art technology for waste incineration and gasification is presented. The comparison highlights the strengths and weaknesses of both technologies and identifies future potentials. In Europe, waste incineration is the state-of-the-art technology ensuring destruction of the pollutants and allowing recovery of the energy content of the waste. A waste incineration plant consists of a furnace, where the waste is incinerated and the chemically bonded energy of the waste is discharged as heat. The hot flue gases pass the heat to the water in the heating surfaces of the steam generator. The energy of the waste can be used for the generation of hot water, steam of electrical power. Then, the flue gas has to be cleaned in the air pollution control system. Dust is precipitated, HCl and HF is removed in an acid scrubber and SO2 in an alkaline scrubber. A catalytic reaction destroys dioxins and furans and reduces the emissions of NOx. Due to waste incineration the volume of the residues, which have to be landfilled, is reduced by 90%.<br />The second pathway of thermal waste treatment is waste gasification, where solid carbonaceous materials are converted into combustible gases by reaction with gasification agents. Due to gas production, not only the energy content of the waste can be recovered but the product range is extended. The producer gas can be converted into heat and power in a conventional steam boiler but also combusted in gas engines or turbines with higher efficiencies. In a combined cycle plant the hot exhaust gas of the turbine can be used in a heat recovery steam generator to increase the efficiency even more. After further cleaning the producer gas is also a suitable feedstock for synthesis of liquid fuels, synthetic natural gas and other chemicals.<br />Waste gasification processes have been developed in the past, but the plants have been shut down because of economic reasons and/or technical problems. However, important research has been done in the field of biomass gasification and thus gasification technology has been improved markedly. The fluidised bed gasifier in Güssing is one of the most successful examples; this technology is about to be commercialised. Considering these developments, there is definitely interesting potential for waste gasification now and the design of a new waste gasification process based on the findings in biomass gasification will be the scope of future research work.