Schwermetallabtrennung von Hausmüllaschen

Abstract

Flugasche aus Müllverbrennungsanlagen stellt wegen hoher Gehalte von Schwermetallen und Dioxinen und Furanen (PCDD/PCDF) einen gefährlichen Abfall dar. Sie wird meist unter Tage deponiert. Aufgrund des Auslaugungsverhaltens sind kaum andere Verwendungsmöglichkeiten als die Deponierung denkbar: Gemeinsam mit Zement, Sand, Wasser und Schlackefraktionen kann man Schlacke-Asche-Beton für den Deponiebau produzieren. Das Schmelzen und Verglasen von Asche zerstört Dioxine und Furane und verbessert die Stabilität, ist allerdings energieintensiv und entsprechend teuer.<br />In der Vergangenheit wurde über Aschebehandlung oft diskutiert.<br />Ein neuer Weg der Aschedekontamination für Flugaschen wird bereits zur Schwermetallabtrennung von Klärschlammasche zur Phosphorrückgewinnung eingesetzt: Hausmüllasche wird mit einem umweltverträglichen Alkali- oder Erdalkalichlorid (z.B. CaCl2) und Wasser gemischt. Die Mischung wird pelletiert um die Staubentwicklung bei der Behandlung zu reduzieren und so in einem Drehrohrofen behandelt. Bei Temperaturen um 1000°C (unter dem Schmelzpunkt der Pellets) verdampfen sich bildende Schwermetallchloride, die in der Rauchgasreinigung zurückgewonnen werden können. Durch die hohen Temperaturen werden organische Bestandteile der Asche zerstört. Das feste, schwermetallarme Produkt des thermochemischen Prozesses könnte in der Zementindustrie als Zuschlagstoff Verwendung finden. Die Zielkonzentration für die Schwermetallgehalte liegt daher im Bereich der Richtwerte von Kohleflugaschen und Hochofenschlacke.<br />Es zeigt sich, dass Zugabe bestimmter Stoffe zu der Mischung die Pelletierung wesentlich erleichtert. In einem indirekt beheizten Labordrehrohrreaktor in Batch- und Gleichstrombetrieb wird der Einfluss von zugegebenen Stoffen, Chloridkonzentration (aus zugegebenem CaCl2), Temperatur, Verweilzeit und Gasgeschwindigkeit auf die Entfrachtung relevanter Schwermetalle (Cd, Cr, Cu, Ni, Pb und Zn) untersucht. Die verwendete Hausmüllasche stammt aus der Müllverbrennungsanlage Spittelau der Fernwärme Wien. Die Ergebnisse werden mit jenen der Schwermetallentfrachtung von Klärschlammasche (Fernwärme Wien / Werk Simmering) verglichen.<br />Bestimmte Stoffe fördern die Entfrachtung von Cd, Cu, Pb und Zn; über Cr und Ni kann aufgrund des Eintrags der beiden Elemente (aus den verwendeten Thermoelementen zur Betttemperaturmessung) in die Proben keine Aussage getroffen werden. Es zeigt sich, dass vor allem eine lange Verweilzeit (> 45 min) und eine hohe Temperatur (1050°C) die Entfrachtung aus Hausmüllaschen begünstigen, wobei bei langen Verweilzeiten die Temperatur einen geringeren Einfluss hat. Chlorid aus zugegebenem CaCl2 begünstigt nur die Entfrachtung von Zn, bei den anderen Elementen zeigt sich kaum eine Verbesserung.<br />Generell liegen die Entfrachtungen aus Hausmüllaschen (Cd: 90%, Cu: 40%, Pb: 95% und Zn: 70%) unter jenen von Klärschlammaschen (Cd: > 98%, Cu: > 95%, Pb: 95% und Zn: 95%), da Klärschlammaschen wesentlich feinkörniger sind (Median: 75 mym für Klärschlamm- und 150 mym für Hausmüllasche). Die Diffusionswege im Pellet hängen direkt von der Korngröße ab (Pellet als Mikroreaktor), außerdem ist ein großer Teil der flüchtigen Schwermetallverbindungen an der Oberfläche der Aschepartikel kondensiert, die größere Oberfläche von Klärschlammasche erleichtert somit die Reaktionen.<br />

Municipal solid waste (MSW) fly ash is classified as a hazardous material because it contains high amounts of heavy metals and dioxins (PCDD / PCDF). This fly ash is mainly stored underground. Because of the leaching behavior, there are nearly no other possibilities of utilization: Sometimes it is mixed with cement, sand, bottom ash and water to produce a sort of concrete. Melting and vitrification of ash destroys dioxins and furans and improves the stability but needs much energy and is correspondingly expensive.<br />In the past, treatment of MSW fly ash was often discussed.<br />A new way to detoxify MSW fly ash is a process, which is already used to recover phosphorous from sewage sludge ash: MSW fly ash is mixed with an unproblematic form of chloride (e. g. CaCl2) and water; in the next step this mixture is pelletized to avoid dust at the treatment. These pellets are fed into a rotary kiln. At temperatures about 1000°C (below the melting point of the pellets) heavy metal chlorides formed evaporate, they can be captured and recovered in the flue gas cleaning system.<br />Because of the high temperatures, organic residues are destroyed. The solid product from the thermo chemical process is considered as additive for cement. So the concentrations of heavy metals should be in the range of concentration values given for charcoal fly ash and blast furnace slag.<br />Adding agents to the mixture improves the pelletizing process. The influence of agent addition, chloride (from added CaCl2) concentration, temperature, residence time and gas velocity on the removal of heavy metals (Cd, Cr, Cu, Ni, Pb and Zn) is assayed. The results are generated in an indirectly heated lab-scale rotary kiln in batch and in cocurrent mode. The fly ash was taken from the waste-to-energy plant Fernwärme Wien / Spittelau (Vienna). The removal rates are compared with those from sewage sludge ash (Fernwärme Wien / Simmering, Vienna).<br />Specified agents stimulate the removal of Cd, Cu, Pb and Zn. For Cr and Ni, there is no evidence possible because of the insertion of these elements (from the thermocouples used for measuring the bed temperature) into the samples. It appears that mainly a long residence time (> 45 min) and a high temperature (1050_C) benefit the removal of heavy metals, whereas the temperature becomes less pronounced at long residence times. Chloride from added CaCl2 stimulates only the removal of Zn, for the other elements there is hardly any improvement. In general, the removal rates from municipal solid waste fly ash (Cd: 90%, Cu: 40%, Pb: 95% and Zn: 70%) are below those from sewage sludge ash (Cd: > 98%, Cu: > 95%, Pb: 95% and Zn: 95%), because sewage sludge ash is more fine-grained (median: 75 mym for sewage sludge and 150 mym for waste ash). The diffusion paths in the pellet depend directly on the grain size (pellet as micro reactor). Additional, a big amount of the volatile heavy metal compounds are condensed on the surface of the ash particles, the higher surface of sewage sludge ash facilitates the reactions.