Reinhard Scholz

Recycling, Thermal Treatment and Recovery

Waste paper, cardboard, waste wood, plastic and glass bottles, tins, not to speak of broken appliances etc. hardly appear in waste statistics of developing countries, although they are being used and discarded by the minority of the population who can afford them. The reason is that all these categories of materials represent the often exclusive income for a host of informal waste pickers and recyclers who collect them and turn them into marketable goods by making e.g. roof tiles from spent cans, fuel briquettes from cardboard, second-hand goods from broken and repaired appliances etc. These kind of “zero waste” systems are driven by the needs of the poor and do not need to be encouraged by appeals to save resources and to close materials cycles, nor does it require the complex legislation that has been issued to encourage recycling in industrialized countries. The informal scavenging is hard work for a small income and exposes those involved to great occupational health risks. The waste picking business only functions, if sufficient materialis thrown away that can be recycled, i.e. if there is a social class above who can afford to waste. It relies on large social differences and, form this perspective, is hardly sustainable.

Spray water cooling heat transfer under oxide scale formation conditions

Spray water cooling is an important technology used for the cooling of materials from temperatures up to 1800K. The heat transfer coecient (HTC) in the so-called steady film boiling regime is known to be a function of the water mass flow density. Below a specific surface temperature TL, film boiling becomes unstable and the HTC shows a strong dependence on temperature (Leidenfrost eect). The HTC was measured by an automated cooling test stand (instationary method). Compared to the previous state-of-the-art, an additional temperature dependency in the high temperature regime was found. A new analytic fit formula for the dependence of the heat transfer coecient on temperature and water impact density is proposed and discussed.

Advanced Thermal Treatment Processes

Waste incineration is a technology which is more than 100 years old. The technology was first introduced at the end of the 19th century to reduce the volume and mass of MSW in order to save landfill space. In a time when smoking stacks were synonymous with progress, nobody cared about the emissions from incinerators into the air. Only when air pollution became a high priority issue in the early 1980s was it found that MSW incinerators were in fact contributing substantially to the overall emission of air pollutants, notably of HO, dioxins and various heavy metals. Once this drawback to MSW incineration was acknowledged, legislation intervened and forced the environmental technology industry to develop suitable air pollution control (APC) technology, which in turn required that operators of incinerators invest large sums to limit the emission of acid gases, particulates and toxic trace compounds. The era of environmental technology from 1980 to 2000 has in fact brought down the emissions from incineration to levels that have made MSWI a minor contributor to air pollution for all emission categories [48].

Mechanismen zur Schadstoffentstehung und -verminderung in Feuerungen

Mit Hilfe einer gezielten Verbrennungsprozesfuhrung, d.h. durch geeignete Mischungsmechanismen in Verbindung mit zugehorigen Temperatur- und Konzentrationsfeldern sowie Verweilzeiten, wird ein moglichst hoher Gas- und Feststoffausbrand unter gleichzeitiger Verminderung von Schadstoffen angestrebt. Voraussetzung fur eine entsprechende Prozesfuhrung sind die Kenntnisse der Bildungs- und Abbaumechanismen sowie die zugehorige Kinetik bei den einzelnen Stoffen. In diesem Kapitel sollen kurz fur die wichtigsten Schadstoffe die Mechanismen zur Schadstoffentstehung und -Verminderung in Feuerungen erlautert werden, wobei insbesondere auf weiterfuhrende Literatur verwiesen wird.

Systematische Darstellung, Bilanzierung und Bewertung

Fur eine systematische Darstellung ist es zunachst zweckmasig, einen inneren Bilanzraum fur das sogenannte „thermische Hauptverfahren“ festzulegen. Grundlage bildet dabei die Kopplung unterschiedlicher Verfahrensbausteine (z.B. Ther-molyse, Vergasung, Verbrennung usw.). Ausgehend von diesem Bilanzraum werden danach je nach Bedarf in mehreren Schritten sich erweiternde Bilanzkreise gezogen bzw. gebildet, bis das „Gesamtverfahren“ unter Hinzunahme von Abgasreinigung, Nutzung der erzeugten Gase, Verfahren zur Herstellung von Hilfsstoffen usw. erfast ist.

Systematischer Aufbau von Prozeßführungen

Es ist zweckmasig, nach gasformigen, flussigen bzw. staubformigen Abfallen sowie stuckigen Abfallen und solchen, die Gemische aus stuckigen, pastosen, flussigen usw. Anteilen sind, zu unterscheiden. Im folgenden wird dargelegt, wie verfahrenstechnische Elemente zusammenzustellen sind, um Forderungen nach Ausbrand und Schadstoffbegrenzung, die in den vorangegangenen Kapiteln beschrieben sind, zunachst qualitativ zu erfullen. Bei dem Zusammenwirken verschiedener Elemente gibt es naturlich viele Variationen, wie weiter unten noch in den Kap. 11 und 12 anhand ausgefuhrter Verfahren gezeigt wird. Die folgende Darstellung ist daher nur exemplarisch zu verstehen, soll aber die prinzipiellen Moglichkeiten erlautern.

Entwicklungstendenzen thermischer Abfallbehandlungsverfahren

Derzeit befindet sich eine Vielzahl von thermischen Behandlungsverfahren in der Entwicklung (Beispiele in Tab. 12.1). In Anlehnung an Tab. 10.1 wird bei der systematischen Darstellung der Verfahren wieder nach Feststoffbehandlung (stuckig, pastos usw.) (1. Einheit) sowie Gas- und Staubbehandlung (2. Einheit) unterschieden. Bei einigen Verfahren ist eine zusatzliche Unterteilung der Einheiten in die Teileinheiten (a) und (b) zweckmasig.

Derzeitiger Stand der Technik von thermischen Abfallbehandlungsverfahren

Das klassische thermische Behandlungsverfahren kann somit in die sog. Verbren-nungs-Verbrennungs-Verfahren (siehe Abb. 1.2 und Tab. 10.1) eingeordnet werden. Es wird haufig als „MVA“ (Mullverbrennungsanlage) bzw. „MKW“ (Mullkraftwerk) bzw. „MHKW“ (Mullheizkraftwerk) abgekurzt. Ziel des Verfahrens ist es, einen festen Reststoff nach der Behandlung (Asche oder angesinterte Asche) zu erhalten, der einer Verwertung oder sicheren Ablagerung zugefuhrt werden kann. Zusatzlich wird in der Regel eine thermische und elektrische Energienutzung (Warme und elektrischer Strom) bei hohem Wirkungsgrad angestrebt.

Mathematische Modellierung thermischer Prozesse zur Abfallbehandlung — Beispiele

Bei den Prozessen in der Hochtemperaturverfahrenstechnik werden, wie in den vorangehenden Kapiteln beispielhaft erlautert, gasformige, flussige und feste Stoffe bei hohen Temperaturen in Industrieofen und Feuerungen behandelt bzw. umgesetzt. Fur die Beschreibung dieser Prozesse im Sinne mathematischer Modelle spielen dementsprechend Warme- und Stoffubertragungsvorgange, homogene und heterogene chemische Reaktionen und Stromungs- bzw. Transportvorgange der Stoffe im Reaktionsraum eine wesentliche Rolle. In dem hier gesteckten Rahmen stehen mehr die Modelle im Vordergrund, die eine Beschreibung des Gesamtprozesses in einem Apparat oder Reaktor erlauben. Beispiele hierfur sind die Verbrennung in einer technischen Brennkammer und der Verbren-nungs- und Vergasungsprozes in Rostsystemen. In diese Gesamtmodelle fliesen Erkenntnisse zu Einzelvorgangen, d.h. Detailmodelle, wie z.B. Diffusions- und Stoffubertragungsansatze, Modelle zum Abbrand von Einzelpartikeln usw. ein. Die Gesamtmodelle setzen sich somit aus einer Reihe von Einzelmodellen zusammen. Wichtig fur den Detaillierungsgrad eines Gesamtmodells ist, das die Genauigkeit und die Flexibilitat einer mit dem Modell durchzufuhrenden Systemanalyse von der Genauigkeit und Verfugbarkeit der jeweils erforderlichen Daten und Randbedingungen der jeweiligen Teilmodelle bestimmt wird.

Konzepte aus mechanischen, biologischen und thermischen Verfahrensbausteinen

Bedingt durch die Forderung nach einer energetischen und stofflichen Verwertung von Abfallen durch das Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz (KrW-/AbfG) [2.1] ergibt sich kunftig ein weiter Bereich der stoffspezifischen Abfallbehandlung. So zeigt Abb. 13.1 beispielhaft Grundoperationen der Abfallbehandlung fur Restabfall aus Hausmull, hausmullahnlichem Gewerbemull, Sperrmull und Klarschlamm durch Kopplung von mechanischer und/oder biologischer Aufbereitung (Vorbehandlung), thermischer Abfallbehandlung und Produktionsprozessen.