Charakterisierung von Ersatzbrennstoffen für den Einsatz in der Zementindustrie aus umwelt- und verbrennungsrelevanter Sicht

Abstract

Aufbereitete Ersatzbrennstoffe werden als Substitut für fossile Primärenergieträger in Hochtemperaturprozessen, wie z.B. zur Zementklinkerproduktion im Drehrohrofen, eingesetzt. Die Arbeit beschäftigt sich mit der Charakterisierung einer Monatsproduktion von festen Ersatzbrennstoffen aus einer österreichischen Aufbereitungsanlage. In die Anlage werden geeignete Fraktionen aus getrennt erfassten Gewerbeabfällen und nicht lizenzierten Verpackungen sowie vorbehandelte hochkalorische Fraktionen eingebracht. Die Aufbereitungsschritte umfassen Vorzerkleinerung, Windsichtung, FE- und NFE-Abscheidung, Schwerstoffabscheidung und Nachzerkleinerung. Zur Darstellung der Qualität der hergestellten Ersatzbrennstoffe wurden an zehn Beprobungstagen Proben mittels automatischem Probenehmer an der LKW-Verladestelle gezogen. Insgesamt wurden 120 unabhängige Einzelproben hergestellt. Metallische Bestandteile aus den Proben wurden entfernt und getrennt nach Lösen mit Königswasser auf die Analytgehalte mittels ICP-OES untersucht. Die Ersatzbrennstoffproben wurden mittels mikrowellenunterstützten Druckaufschlusses unter Verwendung von Königswasser und Flusssäure aufgeschlossen. Die Bestimmung der Gehalte an Arsen, Blei, Cadmium, Chrom, Kobalt, Nickel, Antimon, Kupfer, Zink und Quecksilber erfolgte unter Einsatz von ICP-MS, GR-AAS und FIMS. Da die Ersatzbrennstoffe ein heterogenes Materialgemisch darstellen, wurde der Schwerpunkt auf eine umfassende statistische Datenevaluierung gelegt. Mittels statistischen Tests wurde die Normalverteilungshypothese geprüft. Nur bei Chrom lag eine annähernd symmetrische Verteilung der Daten vor. Sämtliche fortführenden Auswertungen wurden in Folge nach Transformation mit der Logarithmusfunktion durchgeführt und zur Gegenüberstellung mit den üblichen Datenauswertungen (Postulat einer Normalverteilung) rücktransformiert. Zur Erfassung der Verteilung der Varianzbeiträge zwischen den Beprobungstagen, zwischen den LKWs eines Tages und innerhalb eines LKWs wurde ein hierarchisches Modell mit zufälligen Effekten gewählt. Es konnte anschaulich gezeigt werden, dass der größte Anteil an der Gesamtvarianz der Ergebnisse aus der hierarchisch untersten Stufe resultierte (Teilprobenentnahme, Probenaufbereitung, Analysen, Heterogenität).<br />Der insgesamt aussortierte Metallanteil betrug 0,6 % bezogen auf die Gesamtmenge an Einzelproben. Durch Aussortieren und Nichterfassung der Metallanteile kann es zur Unterschätzung der Analytgehalte an Kupfer (deutlich), Chrom, Nickel und Zink kommen. Beim Vergleich des Einzelprobenkonzeptes mit Mischproben aus den Arbeiten zur Verifizierung der Richtlinie für Ersatzbrennstoffe (UMWELTBUNDESAMT 2008) konnten eindeutige Qualitätsvorteile für die Einzelprobenanalysen nachgewiesen werden. Die Bewertung der Qualität an Ersatzbrennstoffen erfolgte auf Basis der Richtlinie für Ersatzbrennstoffe (BMLFUW 2008) und durch Vergleich mit den Grenzwerten gemäß vorliegenden Begutachtungsentwurf zur AVV Novelle 2009.

Solid recovered fuels can be used in high energy processes to substitute fossil fuels, e.g. in burning process of clinker production in cement kilns.<br />The aim of this work was to characterize a monthly production of solid recovered fuels produced by an Austrian processing plant. The input consists of suitable source-separated commercial waste, unlicensed packaging and preprocessed high calorific fractions. The processing steps in the installation include primary reduction, air separation, recovering ferrous/non-ferrous metals by magnetic field and eddy-current technique followed by treatment of inert fraction and secondary cutting.<br />For determination of the quality of solid recovered fuels ten days of production have been sampled by the use of an automatic sampler during truck loading. 120 independent samples were prepared. Metallic components were sorted out and treated separately by dissolution with aqua regia. Digests were analysed with ICP-OES. The fraction of solid recovered fuels was dissolved by microwave assisted high pressurized digestion with aqua regia and hydrofluoric acid. Measurement of Arsenic, Lead, Cadmium, Chromium, Cobalt, Nickel, Antimony, Copper, Zinc and Mercury was performed by ICP-MS, GF-AAS and FIMS. Because of the heterogeneous composition of the tested solid recovered fuels, emphasis has been given to a comprehensive statistical evaluation of data. The hypothesis of normal distribution was tested by means of statistical methods. Only the results of Chromium showed a rather symmetrical distribution. Therefore all data were additionally transformed by logarithm function and after retransformation compared with the conventional data interpretation method (postulate of normal distribution). A hierarchical model with random effects was chosen to estimate the influence of the contributors for the overall variance, namely variance components between days of sampling, between lorries within one day, and within lorries. The main contributor to the overall variance proved to be the lowest level, consisting of sub-sampling, sample pre-treatment, analysis and heterogeneity.<br />The separated metallic fraction represented 0,6 % of the total volume of primary samples. If the metallic fraction is not taken into account, the content of Copper might be significantly underestimated, furthermore Chromium, Nickel and Zinc might be underestimated. Primary sampling showed to be the better option to derive high grade results for heterogeneous materials being compared to composite sampling (UMWELTBUNDESAMT 2008). The quality of processed solid recovered fuels was checked against the limit values of the guideline for waste fuels (BMLFUW 2008) and the amendment of the waste incineration ordinance 2009 (draft for appraisal).<br />