Purgar, A. (2015). Evaluierung alternativer Behandlungskonzepte für die Flugaschen der Abfallverbrennungsanlagen der Stadt Wien [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. http://hdl.handle.net/20.500.12708/79986
E166 - Inst. f. Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Techn. Biowissenschaften
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Date (published):
2015
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Number of Pages:
221
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Keywords:
Schwermetallabtrennung; Kinetik
de
heavy metal separation; reaction kinetics
en
Abstract:
Rückstände aus der thermischen Verwertung von Abfällen werden gemäß österreichischen als auch europäischen Rechtsnormen als gefährliche Abfälle klassifiziert. Damit unterliegen sie sämtlichen Vorschriften für gefährliche Abfälle was Behandlung, Entsorgung als auch Transport betrifft. Während der Nachweis der Nicht-Gefährlichkeit für Schlacken in den meisten Fällen geführt werden kann, stellen Flugaschen bezüglich ihrer nachhaltigen und ressourcenschonenden Entsorgung bzw. weiteren Behandlung eine große Herausforderung dar. In dieser Arbeit werden die Flugascheströme aus der Abfallverbrennung der Stadt Wien charakterisiert und anschließend untersucht, welche Möglichkeiten zur alternativen Behandlung dieser Flugaschen im Vergleich zur derzeitigen Praxis bestehen. Die Auswahl der dabei betrachteten Verfahren orientiert sich an der europäischen Abfallhierarchie, wobei zuerst Maßnahmen zur qualitativen Abfallvermeidung, anschließend zum stofflichen Recycling und zuletzt zur Beseitigung untersucht werden. In Wien werden jährlich rund eine Million Tonnen Abfälle thermisch behandelt, dabei entstehen rund 45.000 Tonnen Flugaschen. Dazu stehen 4 Standorte mit gemeinsam 13 Verbrennungslinien zur Verfügung. Neben unsortierten Siedlungsabfällen werden siedlungsabfallähnliche Gewerbeabfälle, kommunale Klärschlämme aber auch gefährliche Abfälle thermisch behandelt. Die Verbrennungslinien unterscheiden sich in ihren Rauchgasreinigungs- und Feuerungssystemen und eingesetzten Brennstoffen. Jene Teile der Verbrennungsanlagen, die für die Flugaschequalität und Quantität bestimmend sind, werden detailliert beschrieben. Die Infrastruktur zur Entsorgung der Flugaschen besteht einerseits aus der Möglichkeit des Exports zu einer Deponie für gefährliche Abfälle andererseits aus einer Behandlungsanlage und einer Reststoffdeponie. In dieser Behandlungsanlage werden Flugaschen, je nach Qualität, entweder mit Zement stabilisiert oder mit Wasser konditioniert bevor sie auf der Reststoffdeponie abgelagert werden. Bevor Flugaschen - stabilisiert oder konditioniert - auf der Reststoffdeponie abgelagert werden können, müssen diese den Annahmekriterien der Reststoffdeponie genügen. Dazu zählen, neben anderen Kriterien, Anforderungen an maximale Gesamtgehalte diverser Stoffe aber auch Anforderungen an die Eluierbarkeit diverser Stoffe. Mit Kenntnis von Qualität und Quantität der Rückstände der Verbrennungsanlagen wird eine Stoffflussanalyse für die Massenströme sowie für die Elemente Ag, Al, As, Ba, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Hg, Mn, Mo, Ni, Pb, Sb, Sn und Zn durchgeführt. In dieses Modell werden anschließend diverse alternative Verfahren implementiert und die Auswirkung auf das Gesamtsystem evaluiert. Als Maßnahme zur qualitativen Abfallvermeidung wurde die Möglichkeit der Trennung von Kessel- und Filterasche untersucht. Dazu wurde an einem Standort das Verhältnis von Kessel- zu Filterasche ermittelt und die Qualitätsunterschiede durch chemische Analysen untersucht. Als Möglichkeiten des stofflichen Recycelns von Flugaschebestandteilen wird diskutiert, ob sich Flugaschen in behandeltem oder unbehandeltem Zustand als Sekundärrohstoff bei der Zement\-herstellung eignen. Ebenso wird erörtert, ob sich das in den Flugaschen enthaltene Zink durch eine nasschemische Behandlung extrahieren und zurückgewinnen lässt. Weiters wird als Möglichkeit des stofflichen Recyclings untersucht, ob sich Flugascheströme für ein Rückgewinnen von Phosphor eignen. Lediglich Flugaschen aus der Monoverbrennung von Klärschlamm weisen Potential auf, sich für die Herstellung von phosphorbasiertem Düngemittel zu eignen. Als alternative Beseitigungsmethode werden Verfahrenskombinationen aus nasschemischer und thermischer Behandlung vorgestellt. Die nasschemische Behandlung hat den Zweck, den Abdampfrückstand zu senken und die Eluateigenschaften zu verbessern. Für diesen Zweck wurde eine Flugaschewäsche im Labormaßstab realisiert und die Auswirkung einer Wäsche mit verschiedenen Lösungsmitteln untersucht. Es zeigt sich, dass sich Hg unter den gewählten Bedingungen nicht nasschemisch von den Flugaschen abtrennen lässt und daher ein thermischer Behandlungsschritt notwendig ist. Als thermische Behandlung von Flugaschen wird eine bestehende Verbrennungslinie vorgeschlagen. Durch Versuche im Industriemaßstab wird untersucht, welche Auswirkungen das Einbringen von Flugasche auf eine Verbrennungslinie hat, die ein Drehrohrfeuerungssystem nutzt. Die gewonnen Erkenntnisse werden wieder in das Modell der Stoffflussanalyse eingearbeitet und die Auswirkung auf die Gesamtsituation beurteilt.
de
Residues from waste incineration are classified as hazardous waste due to Austrian and European Union law. Therefor the matter has to be treated adequately concerning manipulation, disposal and transportation. While the non-hazardous character of slags can be proven easily, fly ash represent a sophisticated challenge in respect to sustainable and resource efficient disposal or treatment. Within this work the fly ash flows of Vienna¿s waste incineration cluster are characterized and alternatives to the current practice of disposal are investigated. The selection of the investigated alternative treatment methods is orientated on the European waste hierarchy. Methods orientated on qualitative waste avoidance are followed by recycling methods. After that alternative disposal possibilities are discussed. In Vienna approximately one million tons of waste are incinerated annually, whereby 45000 tons of fly ash emerge. Therefor four sites of waste incineration, with together 13 lines, are in operation. Beside municipal solid waste commercial waste, communal sewage sludge and hazardous wastes are utilized. The lines of waste incineration vary in their combustion technology, flue gas cleaning system and fuel utilized. Parts of the incinerators influencing the fly ash quality and quantity are discussed in detail. The infrastructure for the disposal of Vienna¿s fly ash consists on the one hand of the possibility of exporting the matter to a hazardous waste landfill and on the other hand of a treatment facility and a residue landfill. Depending on the fly ash quality in the treatment facility the fly ash is either stabilized with cement or conditioned with water before the matter is disposed of on the residue landfill. Prior to the disposal the fly ash quality has to comply with residue landfill criteria. These criteria include limitations on the maximum content of various substances and maximum eluate contents. With knowledge on quantity and quality of the residues of the investigated waste incinerators a material flow analysis for Ag, Al, As, Ba, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Hg, Mn, Mo, Ni, Pb, Sb, Sn and Zn is carried out. In this model various alternative fly ash treatment methods are implemented and the effect on the overall system investigated. As measure of quantitative waste avoidance the separation of boiler ash and filter ash is investigated. Therefore on one of the four sites of waste incineration the ratio of boiler and filter ash quantity and differences in quality were determined. As recycling technology the possible usage of treated or untreated fly ash in the cement production process as secondary raw material is discussed. Also the potential recovery of Zn through wet chemical extraction is investigated. Furthermore the potential usage of fly ash for phosphorous based fertilizer production is discussed. As alternative disposal possibility a combination of thermal and wet chemical treatment is introduced and evaluated. The wet chemical treatment aims at reducing the content of water soluble salts and manipulating the eluate properties. For this reason a lab scale fly ash washing facility is realized and the effects of a washing procedure with different liquids is investigated. Under the selected conditions it is seen that Hg cannot be removed from the fly ash and therefore a thermal treatment is necessary. For this thermal treatment an existing line of waste incineration is proposed. With tests on an industrial scale the effects of utilizing wet fly ash on the incinerator operating conditions are investigated. The findings are again implemented in the material flow analysis and the effects on the overall system are evaluated.
en
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