Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7347
MANAGEMENT OF SOLID RESIDUES IN WASTE-TO-ENERGY AND BIOMASS
SYSTEMS
J. Vehlow, B. Bergfeldt, C. Wilén, J. Ranta, H. Schwaiger,
H.J.M. Visser, S. Gu, E. Gyftopoulou, J. Brammer
Abstract
A literature review has been performed for getting in-depth
information about quality of residues from thermal processes for waste and
biomass as well as their disposal or utilisation options and current practices.
This revue indicates partly a rather good knowledge, partly significant needs
for more detailed information, but also for further research needs.
Residues from waste incineration have been subject to intense
research programs for many years and it can be concluded that the quality of
bottom ashes has meanwhile a high standard and that the measures to maintain
and control this standard are well understood and widely applied. The question
whether an utilisation as secondary building material is accepted or not
depends on the definition of acceptable economic impact and is more a political
and societal decision than a technical one.
For filter ashes and gas cleaning residues the situation is
more complex. Their quality is known: due to their high inventory of heavy
metals and organic micro-pollutants they are classified as hazardous waste
which means they require specific measures for their safe long-term disposal.
In case of residues from the chemical gas cleaning stages there is a distinct
difference in quality concerning the residues from wet dry gas cleaning with
liquid effluents and from those processes which end up with a high salt load.
Wet scrubbing requires water purification and results in a final neutralisation
residue containing mainly metal hydroxides the main obstacle in the solid
residues from effluent evaporation or dry scrubbing is the high amount of
soluble salts. For soluble salts no convincing disposal option aside from final
storage in salt mines can be thought of. The salt problem is a difficult one
since it depends strongly on the applied gas cleaning method. Unfortunately the
water authorities in a number of countries, e.g. in Germany, restrict the
discharge of effluents from waste incineration plants into sewers.
A number of stabilisation and treatment processes for filter
ashes and gas cleaning residues including the recovery of species out of these
materials have been developed but none has been implemented in full scale due
to economic constraints. In this respect it might be useful to investigate
treatment processes of gas cleaning residues including macro-economical
aspects. There is reason to speculate that even recovery processes which are
not profitable for private companies might point out economically useful if
future and long-term costs which have to be covered of the society, e.g. for
rehabilitation of contaminated sites, are taken into account.
The quality of residues from co-combustion of SRF or other
waste derived fuels are less well investigated. Their quality as well as that
of residues from combustion of contaminated biomass is mainly depending on the
quality of the fuel. The inventory of critical ingredients in fuel produced
from waste or waste fractions, especially of halogens and heavy metals, is
often rather high and shows typically a wide range of variation. A reliable
quality control for such fuels is very difficult, especially if they originate
from mixed municipal solid waste.
Also little information is available for residues from
gasification of biomass since only few data have been published. The main
residue may have a potential for utilisation, however, the published data
indicate that additional post-process treatment is necessary to reach the
required properties. Such extra treatment will make any application scenario
too expensive. Other residues can – like gas cleaning residues from waste
incineration – be inertised in order to meet the criteria for the access
to cheaper landfills than those for hazardous waste.
A similar conclusion can be drawn for the quality and
management of residues from pyrolysis or carbonisation of biomass. A high
potential of application of such charcoal is theoretically possible but the
ecological compatibility of some of the proposed scenarios has not yet been
shown. An open question is also the potential of such residues for the recovery
of ingredients with fertiliser capabilities like potassium of phosphorous.
Limited sound information, too, was found for residues from
anaerobic digestion of agricultural and other biomass and organic waste
fractions. There are two main issues concerning their environmental
compatibility: the potential pollution in case materials originated from waste
is treated respectively co-treated and the inventory of nutrients in case
'clean' biomass from the agricultural sector only was used. Published data
indicate the risk of too high pollutant concentration in a number of analysed
residues which endangers their typical utilisation as fertilisers in
agriculture. There are also proposals for treatment technologies in order
either to separate pollutants or nutrients, however, not much information is
available about their efficiency and their application in real systems.
A final conclusion can be drawn that there is need for
further research on long-term reliable management strategies, especially for
all types of residues from gas cleaning in all processes. Additionally the
residues from co-combustion of waste and coal, from combustion of SRF, from
gasification and pyrolysis, as well as from fermentation of biogenic matter
need more detailed investigation. The challenge in all residue management
scenarios - especially if these residues derive from waste or contaminated
fuels - is the definition of sinks for pollutants. This task has not only a
scientific and technical aspect, essential prerequisites for long-term sound
and aftercare-free solutions are also socio-economic effects and the public
acceptance.
Reststoffe aus der
energetischen Verwertung von Abfällen und Biomassen
Zusammenfassung
In einer
Literaturstudie wurden detaillierte Informationen zur Qualität fester
Reststoffe aus thermischen Prozessen zur Behandlung von Siedlungsabfall und
Biomasse gewonnen. Des weiteren wurden Möglichkeiten ihrer Verwertung und
Anlagerung sowie die derzeit in der EU jeweils praktizierten Strategien
untersucht. Die Ergebnisse bestätigen teilweise ein gutes Prozessverständnis,
in anderen Bereichen aber auch Wissenslücken und weiteren Forschungsbedarf.
Reststoffe aus der
Abfallverbrennung sind intensiv untersucht worden. Rostaschen aus modernen
Anlagen haben eine hohe Qualität, die ihre problemlose Ablagerung auf Deponien
gestattet. Maßnahmen zu Qualitätskontrolle und -sicherung sind entwickelt und
werden angewendet. Die Verwertung als Baustoffe in bestimmten Szenarien ist
heute mehr eine Frage der Akzeptanz durch Politik und Öffentlichkeit als ein
technisches Problem.
Filterstäube und
Gasreinigungsrückstände tragen ein hohes Inventar an Schwermetallen und
organischen Schadstoffen. Sie sind als Sonderabfälle eingestuft und an ihre
Ablagerung sind besondere Anforderungen zum Schutze der Umwelt zu stellen. Bei
den Reststoffen der nassen Rauchgasreinigung verbleibt ein metallhaltiger
Hydroxidschlamm. Das Problem bei Reststoffen aus der Eindampfung der
Absalzlösungen nasser Wäscher sowie bei Reststoffen trockener Verfahren ist
deren hoher Gehalt an löslichen Salzen. Überzeugende Entsorgungsmöglichkeiten
außer der Verbringung in alte Salzstöcke fehlen.
Für diese
Rückstände wurden verschiedene Verfahren zur Stabilisierung oder Inertisierung
mit teilweiser Rückgewinnung einzelner Inhaltsstoffe entwickelt, die aber wegen
mangelnder Wirtschaftlichkeit kaum angewendet werden. In diesem Zusammenhang
könnte eine volkswirtschaftliche Betrachtung unter Einbeziehung langfristiger
Kontroll- und Nachsorgenotwendigkeiten zu anderen Strategien führen.
Reststoffe aus der
Mitverbrennung abfallbasierter Brennstoffe sind weniger gut untersucht, da ihre
Qualität vom Brennstoffmix stark beeinflusst wird und eine Qualitätskontrolle
von Brennstoffen, die Abfallkomponenten enthalten, oft nicht den technischen
Anforderungen entspricht. Kritische Ingredienzien sind vor allem Chlor und
Schwermetalle.
Wissensdefizite
sind auch für Reststoffe aus der Vergasung von Biomasse zu konstatieren. Ein
Verwertungspotential ist vorhanden, veröffentlichte Daten lassen aber eine
Nachbehandlung angeraten sein, vor allem, falls kontaminierte Biomasse
Verwendung findet. Gasreinigungsrückstände können wie die aus der
Abfallverbrennung behandelt werden.
Ähnliche Schlüsse
lassen sich in Bezug auf Reststoffe der Pyrolyse von Biomasse ziehen.
Pyrolysekoks hat ein Verwertungspotential aber in vielen Fällen ist die
ökologische Kompatibilität nicht abgesichert. Gleiches gilt für den Einsatz
rückgewonnener P- und K-reicher Fraktionen als Dünger in der Landwirtschaft.
Auch bei
Reststoffen aus der Vergärung von landwirtschaftlichen Abfällen und Biomasse
ist weiterer Entwicklungsbedarf zu konstatieren. Zur Beurteilung des
Kontaminationsrisikos, besonders falls Abfallfraktionen mit vergoren werden,
aber auch bezüglich Menge und Qualität von Inhaltsstoffen mit Düngewirkung sind
weitere Entwicklungen wünschenswert. Eine Reihe von Verfahren zur Verbesserung
der Reststoffeigenschaften sind vorgeschlagen worden, eine Bewährung in der
Technik steht noch aus.
Zusammenfassend
kann auf nahezu allen Gebieten weiterer Forschungsbedarf festgestellt werden.
Neben der Entwicklung praxisnaher technischer Verfahren ist den Anforderungen
an eine akzeptable Senke für Schadstoffe, besonders solche mit hoher
Wasserlöslichkeit, mehr Aufmerksamkeit zu widmen. Dieses Problem hat nicht nur
einen wissenschaftlich-technischen Aspekt, nachhaltige und nachsorgefreie
Lösungen müssen auch auf ihre sozioökonomischen Auswirkungen und ihre Akzeptanz
in der Öffentlichkeit hin untersucht werden.
VOLLTEXT
BIBLIOTHEK