Störstoffe und Brennverhalten von festen Ersatzbrennstoffen

Aufgrund der anhaltenden Energiepreisschwankungen und der Diskussionen um nachhaltigen Ressourcenschutz hat die deutsche Zementindustrie durch technische Optimierung ihren gesamten Energiebedarf kontinuierlich senken können [1] und auf Drängen der deutschen Politik, mit dem Inkrafttreten des Deponieverbotes in 2005 für unbehandelte Abfälle (TASi), den Einsatz von Ersatzbrennstoffen weiter erhöht.

Nach der ersten Ölkrise wurde zunächst von Öl auf Kohle umgestellt und, wegen ihrer hohen Energiegehalte und der relativ einfachen Handhabung, auch auf Altöl und Altreifen. Später folgten Lösemittel, Bleicherden und Ölschlämme. „Braun­kohleähnliche“ feste Ersatzbrennstoffe aus sog. produktionsspezifischen Gewerbeabfällen, einzeln aufbereitet, wurden über den Hauptbrenner bzw. den Calcinator aufgegeben. Nachdem der relativ geringe Einsatz einzeln aufbereiteter Abfälle als fester EBS keine Auswirkungen sowohl auf die Immissionsbilanz des Werkes als auch auf die Verfahrenstechnik und Produktqualität hatte, durften die Abfälle nun auch gemischt aufbereitet werden. Später ergänzten aufbereitete heizwertreiche Fraktionen aus Hausmüll, Klärschlamm und Tiermehl die Palette alternativer Brennstoffe [2]. Der Anteil von Sekundärbrennstoffen am Gesamtenergiehaushalt wurde im bundesdeutschen Durchschnitt inzwischen auf 54,4  % (2008) erhöht (Bild 1).

Dabei zeigt sich immer deutlicher der Effekt, dass sich Partikel in­homogener Brennstoffgemische bei der Zuführung besonders über den Hauptbrenner auf unterschiedlichen Wurfbahnen bewegen und auch unterschiedlich verbrennen: Während sich groß­flächige, aber dünne Folien schwebend in der Flamme aufzehren, wird der Restkoks dreidimensionaler Partikel die Flammenspitze bilden oder sogar durch sie hindurch fliegen und zu reduzierendem Klinkerbrand führen.

Durch phänomenologische Versuche und die analytische Sichtung von verschiedenen Brennstoffgemischen können Aussagen über das Flugverhalten bzw. über die Qualität der Aufbereitung, die ehemalige Ausgangszusammensetzung und die Eignung des späteren Brennstoffgemisches für die avisierte Brennstelle gemacht werden. Die resultierenden Ergebnisse liefern dabei Indizien auf das spätere Verbrennungsverhalten, wohl wissend, dass sich Geometrie, Dichte und Kornform dynamisch verändern und negative Einflussfaktoren  sich entschärfen können. ­Dennoch wurden nach Zelkowski [3] an solchen Gemischen noch immer Ausbrandzeiten zwischen 1,5 und 3   s ermittelt.

Mit zunehmender Substitutionsrate beeinflusst die Geschwindigkeit und die Vollständigkeit der Zyklen von Trocknung, Pyrolyse, Zünden und Ausbrand den diffusionsgesteuerten ­Verbrennungsprozess, wobei die bisherigen Zerkleinerungsverfahren zunehmend an ihre Grenzen stoßen.

An dieser Stelle soll nicht näher auf Klärschlämme, Bleicherden oder andere große Monoabfallströme eingegangen werden, sondern auf die Herstellung von festen Ersatzbrennstoffen, deren Komponenten aus der Entsorgung von Abfällen aus dem Gewerbe oder dem kommunalen Bereich stammen und in entsprechenden mechanischen Behandlungsanlagen (z.  B. Mechanisch-Biologische Abfallaufbereitung/MBA) aufbereitet werden [2].

Dabei werden Teppiche, Textilien, Holz, Pappe, Papier, Gummi, Folien, Etiketten, Verpackungen oder andere Dinge des täg­lichen Lebens beim Abfallerzeuger einzeln oder gemischt erfasst, analytisch auf ihre Eignung geprüft und gemeinsam durch Vorzerkleinerung, Klassieren, NE-/Fe- oder ballistische Trennung sowie durch NIR-Spektroskopie in Störstoffe und eine heizwertangereicherte Fraktion aufgeteilt. Aufgrund anhaftender Biomasse, klebender Feuchte, hakender und sich überlagernder Teile sowie verschleppter Ascheeinträge gelingt dies mit unterschiedlichem Erfolg [2].

In den meisten Fällen erfolgt daher eine kundenspezifische Nachaufbereitung – z.  B. durch Windsichtung, NIR-Trennung, Siebung und Zerkleinerung – zum ofenfertigen Brennstoff in der gewünschten Korngröße. Nach Pufferlagerung und ­Homogenisierung wird, mit den benötigten Begleitpapieren versehen, der Brennstoff ausgeliefert [4].

Qualitätskontrollen begleiten – freiwillig oder als Genehmigungsauflage verpflichtend – die gesamte Prozesskette vom Abfallerzeuger bis zur Nutzung im Zementdrehrohrofen. Dafür wurden in Deutschland vor ca. 10 Jahren zwischen den Brennstoffaufbereitern, den Genehmigungs- und Überwachungsbehörden sowie den Verwertern Standardprozeduren zur Beprobung, zum Aufschluss- und Analyseverfahren, zur Datenauswertung und zum Abgleich mit den Genehmigungsauflagen entwickelt ¹ und genutzt.

Um die Unterschiede bei der Herstellung von festen Ersatzbrennstoffen zu beschreiben, wird zunächst eine eindeutige Nomenklatur vorgeschlagen (Tabelle 1), zumal feste Ersatzbrennstoffe, die über den Ofeneinlauf oder einen Calcinator aufgegeben werden sollen, anders aufbereitet werden als die, die später über den Hauptbrenner aufgegeben werden sollen. Nach dieser Nomenklatur würden die Brennstoffe bzgl. Quelle, Aufbereitungsart und -tiefe sowie der Qualitätssicherung eindeutig beschrieben. Feste Ersatzbrennstoffe, die über den Ofeneinlauf oder einen Calcinator aufgegeben werden sollen, werden meist grobstückiger aufbereitet und daher einem anderen Qualitätsmanagement unterzogen als die, die über den Hauptbrenner aufgegeben werden müssen. Diese müssen zum besseren ­Ausbrand feiner nachzerkleinert werden, was gegenüber Kohlenstaub allerdings noch immer drei Zehnerpotenzen ausmacht.

Meist verringert sich die Schüttdichte dermaßen, dass z.  B. mit Großraumtransportern aus Kostengründen keine großen Distanzen zurückgelegt werden können. Nach Auslieferung und Lagerung werden die Brennstoffe aufgelockert, gravimetrisch oder volumetrisch dosiert und zur jeweiligen Brennstelle transportiert. Dort verlassen sie, wie der Kohlenstaub pneumatisch gefördert und beschleunigt, den Brennermund und nehmen ihre Bahn, während sie thermisch umgesetzt werden.

Es liegt dabei auf der Hand, dass sich diese inhomogenen ­Gemische wieder in einzelne Partikel differenzieren und auf unterschiedlichen Wurfbahnen bewegen bzw. verbrennen: ­Während großflächige, aber dünne Partikel (meist <  1  mm ­dicke Verpackungsreste) schwebend in der Flamme aufgezehrt werden, werden kleine dreidimensionale Partikel (z.  B. ­Hartkunststoffe, Gummi, Holz etc.) die Flammenspitze bilden oder sogar durch sie hindurch fliegen und im Brenn­gut landen, wobei sie zu reduzierendem Klinkerbrand führen (Bild 2).

Um ein Gefühl für das Wurf- und Flugverhalten von festen Ersatzbrennstoffen im Drehrohrofen zu bekommen, wurden phänomenologische Versuche durchgeführt (Bild 3), bei denen die festen Ersatzbrennstoffpartikel mit dem üblichen Förderluftstrom für Hauptbrenner beschleunigt wurden. Wie zu vermuten ist, sammelten sich Partikel mit „vergleichbaren Eigenschaften“ in ihrer jeweiligen Distanz vom Brennermund in „Kollektiven gleichen Merkmals“; dieses Phänomen entspricht im Prinzip der Windsichtung.

2 Prinzip der Windsichtung

Bei der klassischen Sichtung wirken Kräfte auf Teilchen, bei denen der äquivalente Kugeldurchmesser des Rotationskörpers, die Dichte und die Kornform sich proportional zur Sinkgeschwindigkeit in Luft verhalten.

Das heißt in der Praxis, wenn ein Partikel

1) eine einheitliche Dichte und Kornform aufweisen würde, erfolgt eine Trennung nach der Korngröße:

Vs ~ 2ÎØ_Partikel

2) eine einheitliche Korngröße und Kornform aufweisen würde, erfolgt eine Trennung nach der Dichte:

Vs ~ 2Îd_Partikel

3) eine einheitliche Korndichte und Korngröße aufweisen würde, erfolgt eine Trennung nach der Kornform:

Vs ~ 2Î 1cW

Dabei entspricht:

v_s: Sinkgeschwindigkeit m/s

Ø_Partikel: Partikeldurchmesser m

d_Partikel: Dichte des Partikels g/cm³

cW: Widerstandbeiwert eines rotationssymmetrischen Äquivalenzkörpers

Eine Sichtung kann in laminarer, sog. Stokes’scher Luftströmung, im turbulenten Newton’schen Bereich oder im Übergangsbereich durchgeführt werden. Die Wahl des Strömungsbereichs bzw. die Art des Sichters (Bild 4) hängt von der Zielvorgabe ab.

In Wirklichkeit bestehen feste Ersatzbrennstoffe aus Vielstoffgemischen, die wiederum leicht durch Sichtung im laminaren oder turbulenten Bereich klassiert werden können. Um gegenseitige Behinderungen der Partikel zu vermeiden, sollte die ­Beladung eines Sichters zur Analyse nicht mehr als 1 % betragen.

Die erhaltene erste Schwerfraktion (bei ca. 10 m/s) wird dabei einbehalten und verwogen, während die gesamte ausgetragene Leichtfraktion bei der nächst langsameren Windgeschwindigkeit (9 m/s) erneut gesichtet wird. Diese Prozedur wird so lange wiederholt, bis der in Frage kommende Klassierungsbereich abgedeckt wird oder das Aufgabegut aufgebraucht ist.

Es resultiert ein typisches Histogramm und eine Fraktionierung (Bild 5) analog der bekannten Korngrößenbestimmung, die zur weiteren Analyse und Beschreibung des Brennstoffkollektives durch d₅₀ und Steigung der Summenkurve zwischen d₂₀ und d₈₀ (Bild 6) herangezogen werden kann [2].

Mit dieser Methode erhält man Aussagen über das Flugverhalten bzw. über die Qualität der Aufbereitung, die ehemalige Abfallzusammensetzung (einzelne Komponenten werden deutlich erkennbar) und die Eignung der jeweiligen Fraktionen für die avisierte Aufgabestelle am Drehrohrofen.

Bei der Herstellung und dem Einsatz von festen Ersatzbrennstoffen, deren Komponenten unterschiedlichste Kornformen, Korndichten wie auch Korngrößen aufweisen können, zeigte sich, dass eine Trennung nach gleicher „Eigenschaft“ für die thermische Umsetzung völlig ausreichend ist: D.  h., zwei­dimensionale, große, aber flache sowie kleine hochdichte dreidimensionale Brennstoffpartikel sammeln sich in einer Fraktion, die letztlich sogar ähnliche Verbrennungseigenschaften aufweist. Es bedarf also nicht der typischen Beurteilung nach der Klasse der Korngröße, sondern nach dem Sinkverhalten!

An derartigen Gemischen wurden nach Zelkowski [3] die Ausbrandzeiten und das Zündverhalten im Fallrohrreaktor bei konstantem Sauerstoffgehalt bestimmt. Die Versuche ergaben dabei Ausbrandzeiten an festem, geshreddertem Ersatzbrennstoff (Ø 25 mm) zwischen 1,5 und 3 s.

Nun ließen sich die ballistischen Reichweiten der Ersatzbrenn­stoffpartikel zwar vorausberechnen, jedoch verleiht die Aufzehrung der Brennstoffpartikel während der Verbrennung dem Gesamtsystem eine dynamische Veränderung der Eigenschaften.

3 Thermische Umsetzung

Jeder Verbrennungsprozess wird durch Diffusion gesteuert, d.  h. die Abläufe werden von der Partikelgröße des Brennstoffes, der Zündwilligkeit der entstehenden Gase und durch die Ausbrandzeit des Restkokses bestimmt [3, 5].

Das bedeutet, dass ein zündwilliges Gas sofort reagiert, während ein flüssiger Brennstoff zuvor in die Dampfphase überführt werden muss. Feste Brennstoffe trocknen zunächst ab, während die Anteile an zündwilligen flüchtigen Bestandteilen durch die Strahlungswärme ausgetrieben werden, um später zünden zu können.

Daher ist bei Festbrennstoffen auch eine zweistufige Verbrennung zu beobachten, die durch den Gasausbrand und anschließend durch den restlichen Koksausbrand gekennzeichnet ist (Bild 7).

Bei der Verbrennung finden Redox-Reaktionen zwischen Wasserstoff, Kohlenstoff und Sauerstoff unter Freisetzung von thermischer Energie statt. Sobald eine erste Brennstoffmenge umgesetzt ist, aktiviert die dabei freigesetzte Wärme wiederum den unberührten (nachfolgenden) Brennstoff, der daraufhin erneut trocknet, pyrolysiert, dessen Gase zünden und bis zum Verbrauch eines der Reaktionspartner ausbrennt. Dieser Zyklus wird so oft durchlaufen bis der gesamte Brennstoff oder Sauerstoff aufgezehrt ist.

Mit zunehmender Substitutionsrate von Kohlenstaub durch feste Ersatzbrennstoffe beeinflusst die Geschwindigkeit und die Vollständigkeit dieser Sequenz letztlich den gesamten Brennprozess. Wegen des hohen H/C-Verhältnisses flüssiger Brennstoffe werden die Zyklen von Trocknung, Pyrolyse, Zünden und Ausbrand schneller durchlaufen, wobei der zeitintensive Restkoksabbrand kaum mehr eine Rolle im Umsetzungsprozess spielt [6].

Die Ausgangskomponenten für feste Ersatzbrennstoffe sind in der Regel ehemalige Gegenstände aus dem täglichen Leben, d.h. es offenbart sich ein weites Spektrum von kohlenwasserstoffhaltigen Kunststoffen bis hin zu kohlenstoffreichem Papier oder Holz und damit ein weites Spektrum unterschiedlichen Brennverhaltens [7, 8]. Feste Ersatzbrennstoffe sind daher im van-Krevelen-Diagramm bei einem molaren H/C-Verhältnis zwischen 0 und 1 bzw. einem molaren O/C-Verhältnis zwischen 0,5 und 0,6 angesiedelt (Bild 8).

Aufgrund isolierender Wirkung, der Geometrie und anderer Oberflächeneffekte verlaufen die Diffusionen in den Brennstoffpartikeln und die Verbrennungsgeschwindigkeiten unterschiedlich schnell. Mechanisch lässt sich daher der Diffusionsweg verkürzen, bzw. die Oberfläche der Brennstoffpartikel vergrößern, in dem immer feinere Korngrößen auf durchsatzstärkeren Zerkleinerern hergestellt werden. Inzwischen haben sich das sog. „Kollern oder Pelletieren“ (Zerkleinerung durch Pressung durch spezielle Ring- oder Flachmatrizen) und das „Shreddern“ (schneiden, häckseln und Durchgang durch einen Siebboden) etabliert. Allerdings stoßen mit zunehmendem Substitutionswunsch die bisherigen Zerkleinerungsverfahren zunehmend an ihre Grenzen.

Aus diesem Grund wird verstärkt an Lösungen für den weiteren Einsatz von festen Ersatzbrennstoffen gearbeitet. Dabei rückte die sog. Wirbelstrommühle in den Fokus langjähriger Bemühungen. Verschiedene Hersteller arbeiten auch selbst seit über 50 Jahren mit dieser speziellen Prallmühlentechnik, die bislang aber noch nicht für den Sekundärbrennstoffeinsatz adaptiert wurde.

Das Zerkleinerungsprinzip dieser Mühle basiert auf einem, mit hoher Peripheriegeschwindigkeit drehenden, Rotor und dem hohen Luftdurchsatz, wobei der Luftstrom in der Mahlzone in starke Turbulenzen versetzt wird (Bild 9). Innerhalb dieser Wirbel werden in extrem kurzer Zeit die Flugbahnen und Geschwindigkeiten der Partikel geändert, wobei die Kollisionen zwischen Mahlwerkzeug, Wandung und Mahlgut zur Zerkleinerung der Partikel führt (Bilder 10 –12).

Während des gesamten Mahlprozesses bleiben die Teilchen in der Schwebe bis sie ausgetragen und anschließend abgeschieden werden. Aufgrund der enormen Oberflächenvergrößerung und der hohen Luftdurchsätze ist dieses Prinzip auch zur gleichzeitigen Trocknung geeignet. Dieser Effekt kann mit anstehender Abwärme noch deutlich verstärkt werden.

Erste Untersuchungen am IEVB der TU Clausthal zeigten an verschiedenen EBS-Mehlen erstaunlicherweise Zünd- und Umsetzungsgeschwindigkeiten wie sie eher von Stein- bzw. Braunkohlenstäuben bekannt sind (Bild 13). Die Zündtemperaturen (TZ) der getesteten EBS-Mehle, die aus unterschiedlichsten Aufbereitungsanlagen (MBA= EBS 03/08 und Gewerbeabfall= EBS 03/07) stammen, gruppieren sich zwischen 680 °C und 711 °C im Übergangsbereich zwischen Braunkohlenstaub mit TZ 620 °C und Steinkohlenstaub mit TZ 760 °C. Die EBS-Mehle zeigen anschließend ein Zündverhalten, welches geringfügig besser als Stein- und etwas träger als Braunkohlenstaub ist.

Die bisherigen Versuchsergebnisse zeigten, dass das Prinzip der Wirbelstrommühle, das ursprünglich für die Mahlung von Lebensmitteln oder anderen Substanzen konzipiert wurde, auch bei der Mahlung fester Ersatzbrennstoffe erfolgreich zum Einsatz kommen kann (Bild 14). Je nach Mahlwiderstand sind Zerkleinerungsraten bis 100:1 möglich. Dabei müssen nicht zwingend Hartpellets zum Einsatz kommen, da ohnehin nur die Partikel, die dreidimensional, hart oder spröde sind und bisher zu Problemen im Brenngut führten, schnell und effektiv auf Korngrößen deutlich <  1  mm zerkleinert werden, wobei dünnere Folien und andere flächige Partikel kaum eine Zerkleinerung erfahren. Bzgl. des Ausbrandverhaltens dieser Partikel ist dies auch nicht notwendig, da es bei einer thermischen Umsetzung auf die Geschwindigkeit der Sequenz von Trocknung, Pyrolyse, Zündung und Ausbrand ankommt.

Das EBS-Mehl neigt zur Brücken- und Aggregatbildung, weswegen längere Ruhephasen (Zwischenlagerung etc.) vermieden werden sollten. Erwähnenswert sind der zusätzliche Trocknungseffekt durch Oberflächenvergrößerung und Luftüberschuss, sowie die Halbierung der Ausgangsschüttdichten von einigen EBS-Mehlen, wobei bei einigen Biomassen auch eine Verdoppelung beobachtet wurde.

Die chemischen Eigenschaften der EBS-Brennstoffkomponenten werden dabei nicht verändert, so dass bei abfallstämmigen Ersatzbrennstoffen, oft bedingt durch höhere Asche- und Wassereinträge, nach wie vor das bekannte Energieaustauschverhältnis resultiert, d.  h. es wird zur Deckung des thermischen Energiebedarfes ein geringfügig höherer Masseneintrag von festen Ersatzbrennstoffen benötigt.

Die physikalischen Eigenschaften des EBS-Mehls sind nun bezüglich seines Flug- und Zündverhaltens vergleichbar mit Braunkohlenstaub. Aufgrund langjähriger Erfahrungen im Zementanlagenbau kann die Polysius AG ihren Kunden nun ein ganzheitliches Handlings- und Brennerkonzept für feste Ersatzbrennstoffe weltweit anbieten.

Danksagung

Für die jahrelange Begleitung der Arbeiten und die freundliche Unterstützung darf ich mich ganz besonders bei den Herren Professoren R. Scholz und R. Weber vom IEVB der TU Clausthal, sowie bei den Kollegen der Polysius AG/Beckum bedanken. Für die Durchführung der Technikums- und Testversuche danke ich den Firmen Bückmann GmbH & Co. KG/ Mönchengladbach, Altenburger Maschinen Jäckering GmbH/ Hamm und Mahltechnik Görgens/Dormagen.