Assessment of recovery and utilization options of recyclable components from waste incineration bottom ash

Abstract

Bei der Abfallverbrennung, einem der relevantesten Behandlungspfade für Siedlungsabfall weltweit, entstehen Aschen als feste Verbrennungsrückstände. Die groben Aschen, Rostaschen aus der Rostfeuerung und Bettaschen aus der Wirbelschichtfeuerung von Abfällen, werden oftmals nach einer Abtrennung grober Metalle deponiert. Durch weitergehende Aufbereitung können Metalle jedoch verbessert rückgewonnen und dadurch auch die verbleibende Mineralikfraktion einer Verwertung im Bauwesen zugeführt werden. Ziel dieser Dissertation ist es, die Rückgewinnung und Verwertbarkeit recycelbarer Aschebestandteile wie Metalle, Mineralik und Glas durch mechanische Aufbereitungsverfahren zu steigern. Dies wurde in drei Fallstudien anhand verschiedener Rost- und Bettaschen aus Österreich untersucht. In einem ersten Versuchsaufbau wurde im Technikumsmaßstab erhoben, wie eine bestehende Ascheaufbereitungsanlage in Österreich in Bezug auf die genannte Zielsetzung optimiert werden kann. Dazu wurden zusätzliche Zerkleinerungs- und Metallabtrennungsschritte sowie eine Glasabscheidung an drei Rost- und drei Bettaschen durchgeführt. Diese Fallstudie zeigte, dass eine erweiterte Ascheaufbereitung die Recyclingfähigkeit der Mineralikfraktion der Aschen steigern kann. Zudem wurde Glas aus beiden Aschearten rückgewonnen, jedoch in größeren Mengen und besserer Qualität aus den Bettaschen. Die untersuchte Anlagenerweiterung wurde anschließend an der industriellen Aufbereitungsanlage implementiert und in einer zweiten Fallstudie näher untersucht. Eine Rost- und eine Bettasche wurden dazu vergleichend aufbereitet, um eine Anlagenbilanz zu erstellen und das Verhalten der Aschebestandteile Aluminium, magnetische Eisenmetalle und Glas zu evaluieren. Mit diesem Versuch wurde nachgewiesen, dass die erweiterte Ascheaufbereitung im Industriemaßstab anwendbar ist und beachtliche potentielle Recyclingraten von über 95% für Aluminium und magnetische Eisenmetalle >4 mm festgestellt. Wenngleich Glas nicht industriell aus Rostaschen abgetrennt werden konnte, wurden jedoch 72% des in Bettaschen enthaltenen Glases durch die erweiterte Anlagenkonstellation rückgewonnen. Diese vielversprechenden Ergebnisse bezüglich Glasabscheidung aus Bettaschen wurden in einer dritten Fallstudie näher untersucht. In dieser wurde erhoben, ob Glas aus Bettaschen auf die von der Verpackungsglasindustrie geforderte Qualität aufgereinigt werden kann. Hierzu wurden Störstoffe aus zwei Glasfraktionen mittels zusätzlicher sensorbasierter Abscheidung abgeschieden, wodurch sehr reine Glasfraktionen erzeugt werden konnten. Die strengen Vorgaben der Verpackungsglasindustrie wurden durch die Aufreinigung jedoch nicht erreicht.usammenfassend konnte in den Fallstudien dieser Dissertation festgestellt werden, dass eine erweiterte mechanische Aufbereitung die Kreislauffähigkeit von Rost- und Bettaschen aus der Abfallverbrennung erhöht. Durch zusätzliche Aufbereitungsschritte können Metalle besser abgeschieden werden, was ökonomisch relevant ist und zudem die Qualität der Mineralikfraktion verbessert. Aus Wirbelschicht-Bettaschen kann außerdem Glas rückgewonnen und zukünftig potentiell im Glasrecycling eingesetzt werden. Für Rostaschen wurden bestimmte Nachteile im Vergleich zur Bettasche ermittelt, wie beispielsweise höhere Schwermetallgehalte in der Mineralikfraktion und eingeschränkte Glasrückgewinnung. Diese Nachteile sind vor allem auf höhere Temperaturen und Verweilzeiten des Abfalls in der Feuerung zurückzuführen. Diese Erkenntnis kann genutzt werden, um ganzheitlich festzustellen, ob die Wirbelschichtoder die Rostfeuerung im Sinne einer Kreislaufwirtschaft vorteilhafter ist. Die in dieser Dissertation entwickelte Aufbereitungserweiterung für Rost- und Bettaschen kann zudem entscheidend dazu beitragen, die Abfallverbrennung als relevanten Teil der Abfallwirtschaft hin zu einer Kreislaufwirtschaft zu entwickeln.

Municipal solid waste (MSW) incineration, which is a significant MSW treatment path worldwide, leaves behind incineration bottom ash (IBA) as a solid residue. These ashes are offen landfilled after the removal of coarse metals. However, further processing can improve metal recovery and enable the remaining mineral fraction to be used in the construction sector. The aim of this dissertation is to enhance the recovery and utilization of recyclable IBA components such as metals, minerals and glass through mechanical treatment. This was investigated in three Case Studies and explored for Austrian IBA from grate firing and fluidized bed combustion of MSW. In a first experimental setup, a pilot-scale study assessed the optimization potential of an existing IBA treatment plant in Austria. Additional crushing and metal separation steps as well as glass removal were applied to six different IBAs. This study showed that enhanced IBA treatment can improve the suitability of the mineral fraction for recycling. Glass was recovered from both IBA types, but in higher amounts and better quality from fluidized bed IBAs. The plant extension examined in the first Case Study was subsequently implemented in the industrial treatment plant and analyzed in a second Case Study. One IBA from grate incineration and one from fluidized bed combustion were processed comparatively to create a mass balance of the treatment process and the IBA components aluminum, magnetic ferrous metals and glass. This experiment revealed the feasibility of industrial enhanced treatment and remarkable potential recycling rates above 95% for aluminum and magnetic ferrous metals >4 mm. Although glass recovery was not industrially feasible from the grate IBA, 72% of the glass contained in the fluidized bed IBA could be recovered. The promising results regarding glass separation from fluidized bed IBA led to a third Case Study. This study investigated whether the separated glass could be upgraded to meet the quality standards required by the packaging glass industry. Contaminants were removed from two glass fractions from fluidized bed IBA by additional sensor-based separation, thereby achieving very pure glass fractions. Yet, the strict standards for packaging glass recycling were not met. In summary, the Case Studies in this dissertation demonstrated that enhanced IBA treatment can improve the circularity of IBAs from MSW incineration. Additional treatment steps enable better metal separation, which is economically relevant and improves the quality of the mineral fraction. Moreover, glass can be recovered from fluidized bed IBA and might be recycled in the future if improved upgrading is applied or if alternative recycling routes can be found. Certain disadvantages of grate IBA regarding its recyclability were ascertained in this thesis, including higher heavy metal contents in the mineral fraction and limited glass recovery. These downsides can be traced back to the incineration conditions in the grate furnace. The differences determined between fluidized bed and grate IBA can be basis for a holistic assessment of whether fluidized bed or grate incineration is more beneficial for a circular economy. The enhanced IBA treatment steps developed in this work can be crucial for transitioning MSW incineration from a waste management strategy to an integrated part of a circular economy by closing material loops.