Thermische reiniging grond, uitgangspunten voor het ontwerp

2 UITGANGSPUNTEN VOOR HET ONTWERP(Zie literatuurverwijzing 1, 2, 3, 5, 6, 10, 13, 14)

2.1 Voorbehandeling

De logistieke eisen aan ontvangst en opslag zijn gelijk aan de logistiek beschreven in paragraaf D1.1.3. De thermische grondreiniging heeft belang bij een zo laag mogelijk vochtgehalte in de grond. Een overdekking en een goede afwatering van de opslag kan bijdragen tot een verlaging van het watergehalte. Deze bijdrage is effectief voor het vrij hangend water. De verdere verlaging is een zo langzaam proces dat de effectieve vermindering zeer beperkt is.

Voordat de grond de installatie wordt ingevoerd wordt de grond ontdaan van de grove delen door middel van zeven en/of breken. De totale grondstroom door een breker voeren heeft het voordeel dat de deeltjes in de grondstroom gegarandeerde maximale afmetingen hebben en dat de grondstroom goed wordt gehomogeniseerd.

De grond wordt zoveel mogelijk ontdaan van metalen delen door het plaatsen van één of meerdere magneten op daarvoor geschikte plaatsen boven transportbanden.

De doseerinrichting van de thermische grondreinigingsinstallatie is een belangrijke eenheid. Deze moet een regelmatige dosering handhaven ook bij zeer kleefachtige gronden. Aangezien in de volgende droogsectie en verdampingssectie zeer veel warmte met een grote warmtestroomdichtheid in de grond wordt gevoerd kunnen variaties in de toevoer tot kortstondige en snelle variaties van lokale temperaturen leiden. Dat is lastig voor de bedrijfsvoering van het proces.

2.2 Drogen en verdampen

De werking van de thermische grondreinigingsinstallatie berust op de verwijdering van water en vervolgens van de verontreinigende stoffen vanaf/vanuit het dragermateriaal.

Deze verwijdering wordt tot stand gebracht door de temperatuur te verhogen tot boven het kookpunt van de betreffende verbindingen, zodat de dampspanning van de verontreinigende stoffen groter is dan één atmosfeer. In de droogsectie en de verdampingssectie heerst een druk van circa één atmosfeer. In deze situatie zullen alle organische verontreinigende stoffen uit de grond verdreven worden onafhankelijk van de concentratie van de verontreinigende stoffen in de gasfase.

2.2.1 Droogsectie
In de droogsectie wordt de grond zover opgewarmd dat water uit de grond verdampt.
De waterfractie in het korrelvormige materiaal kan in drie vormen aanwezig zijn:
- als 'vrij' water (poriewater);
- fysisch gebonden water;
- chemisch gebonden water.

Wanneer water wordt verhit tot boven het kookpunt van 100 °C, zal de evenwichtsdampspanning van het water in de gasfase groter dan 1 atmosfeer zijn. De snelheid van verdampen van water is dan slechts afhankelijk van de hoeveelheid toegevoegde warmte.
Het aanwezige water in de grond is daarnaast ook deels fysisch gebonden. Om die reden zal de temperatuur die benodigd is om het water vrij te maken, iets hoger moeten zijn dan 100 °C, namelijk ca. 104-110 °C.
Wanneer grond wordt verhit tot een temperatuur hoger dan 130 °C, kan met zekerheid worden gesteld dat de grond vrij is van het fysisch gebonden en vrije water.

Naast genoemde fysische binding kan ook chemisch gebonden water aanwezig zijn. Deze waterfractie is ingebouwd in onder andere kleimineralen. Om dit water te verwijderen is een grotere, aanvullende drijvende kracht noodzakelijk. Uit de literatuur is bekend dat chemisch gebonden water vanaf een temperatuur vanaf 200-250 °C zal verdampen.

Het restvochtgehalte na deze verwerking van verontreinigde grond bedraagt maximaal 2-5 procent (afhankelijk van het type grond (zand/klei)) indien de uitgangstemperatuur van de droogsectie ongeveer 130 °C is. Gesteld kan worden dat het dan chemisch gebonden water betreft.

De hoeveelheid warmte die voor de verdamping van het water en het verwarmen van de grond moet worden toegevoegd is gelijk aan circa 120 MJ per ton d.s. (temperatuurverhoging van 120 °C) en 3200 MJ per ton water (temperatuurverhoging van 120 °C en verdamping). Voor een grond met een droge stofgehalte van 80 % m/m betekent dit een energietoevoer aan de grond van circa 736 MJ/ton voor de droging. De werkelijke warmtebehoefte in de drogersectie is hoger aangezien warmte nodig is voor temperatuurverhoging van de afgevoerde gassen en warmteverliezen moeten worden gedekt.

2.2.2 Verdampingssectie
In de verdampingssectie wordt de grond verder verwarmd tot een temperatuur waarbij alle organische verontreinigende stoffen verdampen. De temperatuur wordt afhankelijk van de eigenschappen van de te verwijderen verontreinigende stof verhoogd van 130 ºC tot 450-650 ºC. De te verwijderen componenten zijn bijvoorbeeld olieachtige verbindingen, cyanide, teerachtige componenten of gechloreerde koolwaterstoffen.
De volgende processen zullen optreden:
- vervluchtiging van chemisch gebonden water;
- pyrolyse/verbranding van organische stof;
- vervluchtiging/pyrolyse van verontreinigende stoffen.
In het hiernavolgende wordt aan deze aspecten nader aandacht besteed.

Vervluchtiging van chemisch gebonden water
Het na de droogsectie resterende water (N.B. het chemisch gebonden water) zal vanaf een temperatuur vanaf 200-250 ºC in dampfase overgaan.

Pyrolyse/verbranding van organische stof
In elke verontreinigde grond komt een zekere hoeveelheid humus voor. De humus hoeveelheid varieert van 0 tot 30 % (gewichtsfractie) van de grond, die ter verwerking wordt aangeboden. De chemische samenstelling van humus lijkt op die van andere biomassa, zoals hout.

Bij verwarmen van de grond treden bij verhoging van de temperatuur in de verdampingssectie pyrolyse-processen op. Organische stoffen (zoals humus) vallen tijdens de pyrolyse uiteen in koolstof, water, en een complex mengsel van gassen en dampen. De volgende reactie treedt op in afwezigheid van zuurstof:

De gemiddelde gasproductie in de oven bedraagt (in liters):
uit 1 kg humus
→ 311 + 100 + 100 + 40 + 40 + 120
→ 2.320 kcal / 9.715 kJ (in gasfase)

Deze gasvormige fractie CxHy bevat een groot aantal (waaronder teerachtige) componenten.
Gemiddeld blijft 30 gewichtsprocent van de ingaande humusfractie in het gereinigde eindproduct achter als C.

Afhankelijk van het zuurstofaanbod in de verdampingssectie zal een deel van de gasvormige pyrolyseproducten tot CO, CO2 en H2O overgaan. Pas als laatste zal de aanwezige koolstof in de grond verbranden. Het zuurstofgehalte is in de praktijk nooit zo hoog. Een (overgroot) deel van de koolstof blijft in de grond aanwezig. Dat is de reden dat thermisch gereinigde grond zwart van kleur is.

Vervluchtiging/pyrolyse van verontreinigende stoffen
Of en zo ja, in welke mate een verbinding/verontreinigende stof ook daadwerkelijk tijdens (een van) deze stappen wordt verwijderd is afhankelijk van 3 factoren, te weten:
- het kookpunt van de betreffende verontreinigende stoffen;
- de binding tussen de betreffende verontreinigende stoffen en het dragermateriaal;
- de thermische stabiliteit van de organische stof.

Temperatuurniveau
Een verbinding verdampt als de evenwichtsdampspanning van de verbinding hoger is dan de dampspanning in de gasfase. In de praktijk is de totaal druk atmosferisch in de verdampingssectie (kleine gecontroleerde onderdruk t.o.v. de buitenlucht). Indien de evenwichtsdampspanning hoger wordt dan de totaal spanning (hier één atmosfeer), verdampen de verbindingen ongeacht de gassamenstelling. Door de temperatuur in de verdampingssectie te verhogen tot of boven het kookpunt (overgang van vloeistof naar gasfase) dan wel het sublimatiepunt (overgang van vaste stof naar gasfase) wordt dit bereikt.
Opgemerkt wordt dat sommige stoffen geen kook-/sublimatiepunt hebben, doch bij verhitting uiteen zullen vallen in andere componenten, die een lager kookpunt hebben. Een voorbeeld hiervan is cyanide dat als Pruisisch blauw (Fe4[Fe(CN)]6) kan voorkomen. Voor deze verbindingen wordt gesproken over de ontledingstemperatuur.
In tabel D2.1 zijn de kook-, sublimatie- of ontledingstemperaturen van de (groepen van) mogelijke verontreinigende stoffen weergegeven.

Tabel D2.1 Overzicht van kookpunten en instelling verdampingssectie (in °C)

*) maximale waarde voor OCDD; voor andere isomeren geldt lagere waarde, afhankelijk van moleculair gewicht.

Zoals uit de tabel blijkt liggen de kookpunten van BTEX en VOX voor een deel binnen het temperatuurstraject dat in de droogsectie reeds wordt bereikt. Dit betekent dat deze verbindingen, voordat het gedroogde materiaal in de verdampingssectie wordt ingevoerd, reeds voor een deel zijn verwijderd en met de waterdamp zijn afgevoerd. Een bijzondere component is naftaleen, die samen met water vervluchtigt (effect van stoomdestillatie), en met de waterdamp wordt afgevoerd.
Voor de overige verbindingen geldt dat deze (vrijwel) niet in de droogsectie zijn uitgedampt en derhalve volledig in het uitgaande materiaal van de droogsectie worden teruggevonden. Zoals uit de tabel kan worden afgeleid ligt de ingestelde (eind)temperatuur in de verdampingssectie minimaal 100 °C hoger dan de desbetreffende kook- en sublimatiepunten.
Voor gehalogeneerde koolwaterstoffen (EOX) wordt -gezien het risicovolle karakter van deze verbindingen- een aanzienlijk hogere temperatuurmarge (van minimaal 150 °C) in acht genomen.
Indien meerdere verontreinigende stoffen ('cocktail') in één te verwerken partij worden aangetroffen, wordt de temperatuur in de verdampingssectie zo ingesteld dat ook de hoogstkokende/meest risicovolle component goed wordt verwijderd.
Zware metalen (anders dan kwik) worden gezien hun (zeer) hoge kook-/sublimatiepunt niet verwijderd.
In het vorenstaande is uiteengezet, dat vanaf een (voor elke component andere) temperatuur het proces verloopt met als enige beperking de hoeveelheid toegevoerde warmte. Dat betekent dat voldoende verblijftijd op of boven die temperatuur gewaarborgd moet zijn.

Relatie tussen verontreinigende stoffen en dragermateriaal
De overgang van vloeistof/vaste stof naar de gasfase door het aanbrengen van een hoge temperatuur in de verdampingssectie (dus boven kook-, sublimatie of ontledingstemperatuur) is op zich nog geen garantie dat de verontreinigende stoffen uit het korrelvormige materiaal zijn verwijderd.

De mate waarin de verbindingen aan/in de drager zijn gebonden is immers tevens van invloed op de verwijdering uit het korrelvormige materiaal. Deze binding kan op verschillende manieren bestaan en is besproken in paragraaf D1.1.2 (Bindingsvormen).

Uit de ervaringen ten aanzien van de verwerking van korrelvormige materialen (grond (variërend van 'zand' tot 'klei'), puin en grind) die tot op heden met de diverse thermische grondreinigingsinstallaties zijn verkregen is het volgende gebleken.
Uit korrelvormig materiaal dat is opgebouwd uit mineralen als silicaten en aluminaten (grond) verdwijnen alle verontreinigende stoffen indien de maximale korreldiameter van het dragermateriaal niet groter is dan circa 16 mm.
Onbekend is in welke mate de hiervoor beschreven processen afzonderlijk een rol spelen bij de uiteindelijke verwijdering van vluchtige verontreinigende stoffen uit het korrelvormig materiaal.
De totale hoeveelheid warmte die aan de grond moet worden toegevoerd om deze te verhitten van 150 °C tot 600 °C is de som van de warmte nodig voor de temperatuurverhoging en de warmte nodig voor het verdampen van het kristalwater en de organische componenten. Deze hoeveelheid is circa 575 MJ/ton d.s. De werkelijke warmtebehoefte in de verdampingssectie is hoger aangezien warmte nodig is voor temperatuurverhoging van de afgevoerde gassen en warmteverliezen moeten worden gedekt.

2.3 Koelen

Het materiaal dat de verdampingssectie verlaat heeft een temperatuur van ca. 550 - 600 °C, en wordt afgekoeld en bevochtigd. De koeling kan direct of indirect plaatsvinden.
In de meeste gevallen wordt het hoge temperatuurtraject gekoeld middels indirecte koeling en wordt het laatste traject altijd gekoeld middels direct watercontact. In dit laatste temperatuurtraject wordt de grond tevens bevochtigd.
De totale hoeveelheid warmte die wordt afgevoerd bij het koelen bedraagt ca 550 MJ per ton d.s. (temperatuurverlaging van 550 °C).

2.4 Naverbranding

Alle gassen die in contact zijn geweest met het verontreinigde materiaal worden in de naverbrander verbrand. Wanneer de verontreinigende stoffen gedurende een voldoende lange verblijftijd bij een voldoende hoge temperatuur worden verbrand, worden ze omgezet in natuurlijke atmosferische bestanddelen zoals H2O en CO2. De samenstelling en omvang van de gasstroom naar de naverbrander is sterk afhankelijk van de samenstelling van het te reinigen materiaal, het vochtgehalte, de concentratie van de verontreinigende stoffen en de uitvoering van de droger- en verdampingssectie (gescheiden uitvoering, indirecte of directe verhitting)

Een volledige verbranding en vernietiging van de verontreinigende stoffen wordt gerealiseerd indien aan de volgende voorwaarden zijn voldaan aan:
- goede menging van de gassen;
- voldoende overmaat zuurstof;
- voldoende verblijftijd in combinatie met de temperatuur.

Gangbaar is dat de verblijftijd van de gassen in de naverbrander minimaal 1 seconde is, de temperatuur 850 tot 1100 °C en het zuurstofgehalte aan het einde van de naverbrander minimaal 2 % volume betrokken op de natte totaalstroom. Het verbrandingsrendement van verontreinigende stoffen is bij deze procescondities groter dan 99,99 % en het vernietigingsrendement 99,9999%.

2.5 Rookgasreiniging

In de rookgasreiniging kunnen de volgende processtappen worden herkend:
- koeling rookgassen naverbrander;
- verwijdering van zuurvormende componenten;
- adsorptie aan actieve kool en/of aanwezige vaste stofdeeltjes;
- filtratie;
- kwikadsorptie.

Koeling rookgassen naverbrander
De rookgassen van de naverbrander hebben een temperatuur van 850-1100 °C.
De rookgassen worden gekoeld met de volgende oogmerken:
- de apparatuur verderop in het proces te beschermen tegen te hoge temperaturen;
- het aanwezige stof dat bij deze hoge temperaturen visceus is en kleeft, te koelen tot vaste, niet kleefbare deeltjes;
- de evenwichtsligging van de aanwezige verontreinigende stoffen te doen verplaatsen van de gasfase naar de aanwezige vaste stoffase in de vorm van stofdeeltjes, toegevoegde reagentia en/of actieve kool;
- het zo snel mogelijk doorlopen van het temperatuurtraject van circa 500 naar 200 °C om mogelijke dioxinevorming te voorkomen.

De brandergassen op deze temperatuur bevatten nog een aanzienlijke hoeveelheid warmte-energie op een dusdanige temperatuur dat deze effectief ingezet kan worden bij de warmtebehoefte in de drogersectie, opwarming van de gassen voor de naverbrander en opwarming van de branderlucht. Een aanzienlijke energiebesparing kan hiermee worden gerealiseerd.

Verwijdering van zuurvormende componenten
In de emissie-eisen worden grenzen gesteld aan de gehalten van zwaveloxiden, chloriden en fluoriden. Deze verontreinigende stoffen reageren snel met een basisch reagens. Hiervoor wordt meestal kalk gebruikt in opgeloste, gesuspendeerde of droge vorm. De procesomstandigheden worden zo gekozen dat een minimum aan overmaat kalktoevoeging noodzakelijk is om de vereiste resultaten te bereiken.

Adsorptie aan actieve kool en/of aanwezige vaste stofdeeltjes
In sommige gevallen is het noodzakelijk actieve kool te gebruiken voor de verwijdering van de zeer kleine hoeveelheden dioxinen, dibenzofuranen en sporen kwik. De adsorptie wordt uitgevoerd bij een zo laag mogelijke temperatuur om de gasvormige verontreinigende stoffen uit de gasfase zoveel mogelijk te laten adsorberen aan de kool.

Filtratie
Na de injectie van kalk en kool wordt het in het gas aanwezige stof (processtof, kalk, kool) afgevangen in een filter. Het filter wordt voorzien van een filtermedium dat maximaal 5 mg/Nm3 (standaard) doorlaat.
Het materiaal dat uit het filter komt, wordt deels afgevoerd uit de installatie voor definitieve verwerking, deels teruggevoerd naar het invoermateriaal.

Kwikadsorptie
De rookgasreiniging heeft een redelijk verwijderingsrendement van kwik en kwikverbindingen door koeling van de rookgassen en adsorptie aan reagentia en/of actieve kool. Indien dit rendement onvoldoende is om aan de norm voor de rookgassen te voldoen is het mogelijk om een kwikadsorptiefilter toe te voegen aan de rookgasreinigingsprocessen. Een kwikadsorptiefilter bestaat uit een speciaal geactiveerd adsorptiemedium (bijvoorbeeld geactiveerd met zwavel of selenium).