Thermische reiniging grond, uitvoeringsvormen en apparaten

3 UITVOERINGSVORMEN EN APPARATEN(Zie literatuurverwijzing 1, 2, 3, 8, 9, 15, 16)

3.1 Inleiding

De bepalende processen voor de uitvoeringsvormen van de thermische reiniging zijn verdamping en pyrolyse, naverbranding en rookgasreiniging (zie hoofdstuk D2.2).
In de beschrijving van de uitvoeringsvormen en apparaten van deze drie hoofdprocesstappen is gekozen om deze te beschrijven middels drie paragrafen:
- voorbehandeling;
- warmte-overdracht waar zowel de processtap van verdamping en pyrolyse plaatsvindt als de koeling van de grond;
- behandeling van de vrijgekomen gassen waarbij de processtappen van naverbranding en rookgasreiniging plaatsvinden.

Figuur D2.2 Processtappen thermische reiniging

In Nederland zijn anno 2005 drie thermische grondreinigingsinstallaties in bedrijf op een vaste locatie. De beschrijving van de uitvoeringsvormen en apparaten zal voor deze installaties geschieden.

3.2 Voorbehandeling

De voorbehandeling dient ervoor om de grond bedrijfszeker door de installatie te voeren en een continue regelbare hoeveelheid in te voeren.
De voorbehandeling bestaat uit de volgende apparaten:
- een voorzeef maaswijdte van 60 - 80 mm;
- een breker of shredder voor de afgezeefde puinfractie of voor breking van de totale hoofdstroom, het gebroken materiaal kan worden teruggevoerd in de voeding;
- een magnetische metaalafscheider;
- een of meerdere doseerbunkers voor dosering van de zeven en de reinigingsinstallatie;
- een lopende band om door personeel vreemde grove stukken als plastic folie, draad en dergelijke uit de grondstroom te laten verwijderen (handpicking).

De verschillende apparaten staan bij de thermische reinigingsinstallaties in verschillende volgorde gerangschikt. Als voorbeeld wordt hier de installatie van ATM gepresenteerd:

Figuur D2.3 Voorbehandeling thermische reiniging

3.3 Warmte-overdracht naar en van de grond

De overdracht van warmte naar en van de grond dient om de grond te verwarmen tot de gewenste temperatuur en daarna af te koelen. De wijze van warmte-overdracht met haar uitvoeringsvorm bepalen het ontwerp van de grondreinigingsinstallatie.
De wijze waarop de warmte-overdracht plaatsvindt kan als volgt worden ingedeeld:
- directe verhitting met behulp van hete gassen;
- directe verhitting door een stralingsbron;
- directe verhitting met wrijvingsenergie;
- indirecte verhitting.

Bij directe verhitting wordt gebruik gemaakt van warmte-overdracht in een wervelbed en in roterende trommels.
Bij directe verhitting door een stralingsbron wordt gebruik gemaakt van infrarood. Deze techniek is in ontwikkeling in de Verenigde Staten en wordt niet verder beschreven.
De directe verhitting met wrijvingsenergie is nog in een ontwikkelingsfase.
De indirecte verhitting vindt plaats via de buiswand van een roterende trommel.

Drie technische uitvoeringsvormen worden in de praktijk toegepast, meerdere in Europa, vele in de Verenigde Staten:
- directe verhitting in draaitrommels: 3 installaties in Nederland, enkele in Europa, vele in de Verenigde Staten;
- directe verhitting in wervelbed: 1 installatie in Duitsland;
- indirecte verhitting in een draaitrommel: 1 installatie in Nederland (gesloten in 1996), 1 installatie in Duitsland.

De meest toegepaste techniek is dus de directe verhitting in draaitrommels.
Draaitrommels combineren de voordelen van verwerking van alle soorten grond met een efficiënte warmte-overdracht. Opschaling van draaitrommels tot hoge doorzetcapaciteit is mogelijk.
De techniek van het wervelbed heeft een zeer efficiënte warmte-overdracht maar vereist een grote gasstroom, die wordt gerecirculeerd en leidt tot een hoge energiebehoefte en die een aanzienlijke stofvracht meevoert. De verbrandingsgassen met de stofvracht worden behandeld in een rookgasreinigingsinstallatie.
Een grote verscheidenheid in deeltjesgrootte hindert een goede bedrijfsvoering (grote meesleep van fijne gronddeeltjes in de gasstroom). Er is één wervelbedinstallatie operationeel in Europa.
De indirecte thermische reiniging is operationeel in Duitsland en was tot eind 1996 operationeel in Nederland.
Bij indirecte warmte-overdracht komt de grond niet in contact met de gassen van het verwarmingssysteem.
Deze gassen worden gebruikt om de buitenzijde van de roterende trommel, waar de te reinigen grond doorheen wordt gevoerd, te verwarmen. Binnen de dichte buis komen alleen verontreinigingen en waterdamp vrij.
Door de geringe hoeveelheid verontreinigd gas die in de buis wordt gevormd, kan de naverbrander relatief klein worden uitgevoerd. Ten gevolge van de kleine hoeveelheid gassen is de gassnelheid in de trommel veel lager dan in een direct verhitte trommel en wordt minder stof meegevoerd.
De roterende buis is door middel van een speciale afdichting gasdicht afgesloten. Mede daardoor is het mogelijk het zuurstofgehalte in de roterende buis te controleren. Dit heeft grote voordelen met het oog op explosie-risico, en ook met het oog op het vermijden van de vorming van ongewenste bijproducten. Tevens is het relatief eenvoudig om onderdruk in het systeem te handhaven, zodat geen schadelijke dampen naar buiten kunnen treden.
Ten slotte blijven de branderafgassen schoon en is de warmte-inhoud terug te winnen. Het indirecte verwarmingssysteem biedt voordelen ten opzichte van het directe systeem, onder andere met betrekking tot veiligheid, procescontrole, betrouwbaarheid van het reinigingsresultaat en geschiktheid voor alle grondsoorten (klei, leem) en alle organische verontreinigingen.
Een belangrijk nadeel van de indirecte warmte-overdracht is de beperking van de capaciteit. Met één trommel kan niet meer dan 10 tot 20 ton droge stof per uur worden gereinigd.

In de praktijk is gebleken dat thermische reiniging met trommeltechniek en directe verhitting in Nederland met lagere verwerkingsprijzen opereert dan indirecte technieken. Ook in de Verenigde Staten zijn de meeste installaties uitgerust met trommeltechniek en directe warmte-overdracht.

In de praktijk zijn alle thermische reinigingsinstallaties in Nederland vanaf begin 1997 uitgerust met directe warmte-overdracht en draaitrommels (de installatie van NBM Milieu met trommeltechniek en indirecte warmte-overdracht is eind 1996 gesloten).

De verschillen in de technieken worden kort gepresenteerd:
- ATM bv: gescheiden drogertrommel en verdampingstrommel met indirecte watergekoelde koeltrommel, locatie Moerdijk;
- Sita Remediation bv: één trommel voor droging en verdamping. De drogingssectie in de trommel maakt mede gebruik van indirecte warmte-overdracht via de trommelwand, locaties Utrecht en Botlek;

De eindtemperaturen in de grond, die in de verdampingssectie worden bereikt en de totale verblijftijd in droger- en verdampingssectie zijn opgegeven in tabel D2.3.

Tabel D2.2 Eindtemperaturen in de grond en totale verblijftijden van de grond in de verdampingssectie

3.4 Behandeling vrijkomende gassen

3.4.1 Naverbranding
De aanwezigheid van zuurstof in de branderlucht verbrandt gedeeltelijk de aanwezige gasvormige verontreinigingen en de pyrolyseproducten. De mate van verbranding van deze gassen wordt bepaald door de temperatuur van de gassen en de overmaat branderlucht die bij de verbranding wordt toegepast. De verbranding in de verdampingssectie is nooit volledig. De volledige verbranding van alle organische componenten (verontreinigingen en pyrolyseproducten van humus en verontreinigingen en componenten van partiële verbranding) wordt gerealiseerd in de naverbrander.
Voor een goed functioneren van de naverbrander is een viertal voorwaarden essentieel, te weten: temperatuur, verblijftijd, goede menging van de gassen en zuurstofconcentratie. Deze voorwaarden zijn sterk afhankelijk van de uitvoeringsvorm van de naverbrander. Bij een goed functioneren van de naverbrander zijn vernietigingsrendementen mogelijk van de thermisch meest stabiele gassen van meer dan 99,9999%.
De naverbrander garandeert een volledige verbranding (verbrandingsrendement van meer dan 99,99%) bij een overmaat zuurstof van 2 - 6 % op volumebasis, een verblijftijd van één tot twee seconden en een verhoogde temperatuur. De Europese regelgeving vereist een minimum temperatuur van 850 °C. De bedrijfsomstandigheden van de naverbranders in Nederland zijn opgegeven in de volgende tabel:

Tabel D2.3 Eindtemperaturen en verblijftijd in de naverbrander

Bij de installatie van Sita Remediation worden de verontreinigde gassen vóór de naverbrander ontdaan van het stof door middel van respectievelijk een multicycloon en een combinatie van een multicycloon en een doekenfilter. Het stof wordt teruggevoerd naar de installatie in de verdampingssectie. Een stofverwijdering vóór de naverbrander is noodzakelijk zodra de temperaturen in de naverbrander beduidend hoger zijn dan 850 °C. Bij temperaturen hoger dan 850 °C gaat het stof versmelten. Het stof zal dan aan de wand van de naverbrander blijven kleven en gedeeltelijk in de naverbrander achterblijven. Dit veroorzaakt snel verstoring van de procescondities in de naverbrander en leidt tot een kostbaar onderhoud voor het verwijderen van het gesmolten stof.

Bij een gescheiden droger van de verdamper wordt de damp vanaf de droger gescheiden afgevoerd. ATM voert deze damp direct naar de naverbrander.
Het is mogelijk om de waterdamp uit de gassen te verwijderen met een condensor. Het gecondenseerde water bevat organische verontreinigingen en wordt naar een waterzuiveringsinstallatie gevoerd om te worden behandeld. Het verwijderen van de waterdamp betekent een verminderde gasstroom in de naverbrander en een lager energieverbruik omdat de waterdamp niet hoeft te worden verhit tot de temperatuur die heerst in de naverbrander. Deze techniek werd toegepast in de installatie van NBM Milieu.
Een gescheiden droger met condensatie van de waterdamp zal economisch aantrekkelijk zijn bij gronden met hoge vochtgehalten (voorbeeld ontwaterde baggerspecie).

3.4.2 Rookgasreiniging
De rookgasreiniging is noodzakelijk om te voldoen aan de emissievoorwaarden. De gassen ondergaan de volgende behandelingen:
- koeling;
- adsorptie aan kalk;
- adsorptie aan kool;
- stoffiltratie;
De verschillende behandelingen worden achtereenvolgens besproken.

3.4.2.1 Koeling
De gassen worden in meerdere stappen gekoeld tot de laagst te bereiken temperatuur. Dit is veelal direct na de adsorptie aan kalk. In sommige gevallen wordt de temperatuur hierna weer opgevoerd om ongewenste condensvorming te voorkomen. Het is wenselijk om bij de adsorptie aan kalk en kool een zo laag mogelijke temperatuur te bereiken vanwege de evenwichtsligging van de verontreinigde componenten tussen de gasfase en de vaste stoffase (zie paragraaf D2.2.2). De eindtemperatuur wordt mede bepaald door het watergehalte in de rookgassen. Het watergehalte bepaalt het dauwpunt van het gas; deze ligt in de praktijk tussen de 65 °C en 85 °C.
De warmte die uit de rookgassen wordt verwijderd is groot (ca. 1,5 kJ/°C/Nm3). De rookgasvolumina, hun temperaturen en hun warmte-inhoud zijn opgegeven in de volgende tabel:

Tabel D2.4 Temperatuur rookgassen en warmte inhoud (benadering)

Bij ATM en Sita Remediation wordt een deel van de warmte via een warmtewisselaar weer elders benut in de installatie.
ATM koelt de hoge temperatuur gassen met een wisselaar en gebruikt de opgewarmde buitenlucht voor de verbranding.
Sita Remediation heeft drie warmtewisselaars in serie en benut de gassen met de hoogste temperatuur om de gassen voor de naverbrander op te warmen, benut vervolgens de warmte voor een indirecte warmte-overdracht naar de grond in de drogersectie en koelt als laatste de warmte in een gas-gas warmtewisselaar waarbij de opgewarmde buitenlucht wordt gebruikt als branderlucht. Op deze wijze wordt het totale energieverbruik van de grondreinigingsinstallatie aanzienlijk teruggebracht.

In onderstaande figuur is de wijze van warmtebenutting, zoals die door Sita Remediation wordt toegepast, schematisch aangegeven.

Figuur D2.4 Warmtebenutting

3.4.2.2 Adsorptie aan kalk
De adsorptie aan kalk wordt toegepast voor de verwijdering van de zuurvormende componenten. Andere basische reagentia zijn mogelijk waaronder calciumbicarbonaat, maar deze worden op de Nederlandse grondreinigingsinstallaties niet toegepast. De kalk reageert met zwaveldioxide, chloriden, fluoriden en koolzuur. De reactiesnelheden met chloriden en fluoriden zijn het grootst waardoor de verwijdering van zwaveldioxide de snelheidsbepalende stap is. De emissie-eis van zwaveldioxide (in Nederland 40 mg/Nm3) is de processturende factor. De temperatuur, het waterdampgehalte en de overmaat aan kalk bepalen het verwijderingsrendement. De overmaat aan kalk wordt bepaald door de stoïchiometrisch ratio (de werkelijke hoeveelheid molequivalenten kalk gedeeld door de hoeveelheid molequivalenten kalk nodig voor een volledige reactie met de zuurvormende componenten).
Bij de verwijdering van zuurvormende componenten kan worden gekozen voor een natte adsorptie, waar water als een aparte fase aanwezig is en de zuurvormende componenten met de waterfase worden afgevoerd. Deze waterfase moet worden behandeld en geloosd.
Een alternatieve methode is de droge methode (de kalk wordt bevochtigd, maar er wordt geen slurry gemaakt; er is geen water in vloeistoffase) en de semi-natte methode (water wordt vloeibaar geïnjecteerd maar verdampt volledig). Hierbij komt geen aparte waterfase vrij, de reactieproducten worden afgevangen in een stoffilter en/of cycloon.
De overmaat kalk nodig bij de droge en semi-natte methoden is hoger dan bij de natte methode. Bij ATM en Sita Remediation zijn de droge en semi-natte methoden geïnstalleerd waarbij desondanks de overmaat kalk sterk is gereduceerd door een technische toepassing waarbij de kalk vele malen wordt gerecirculeerd en daarom ver uitputtend kan reageren met zwaveldioxide. De molaire ratio varieert bij een verwijderingsrendement voor zwaveldioxide van ca. 98 % van 1,3 tot 1,7 voor de semi-natte adsorptiesystemen met een veelvoudige kalkrecirculatie.

3.4.2.3 Adsorptie aan kool
De adsorptie aan actieve kool wordt toegepast voor een vergaande verwijdering van de laatste sporen aan organische componenten (met name dioxinen en benzofuranen). De emissie-eis van 0,1 ng TEQ/Nm3 kan niet in alle gevallen worden gehaald zonder injectie van actiefkool. In de praktijk is in de meeste gevallen een vergaande koeling van de rookgassen in combinatie met een kalkadsorptie en stoffilter voldoende om de emissie-eis van dioxinen en benzofuranen te behalen zonder actiefkooldosering.
De adsorptie van kwik is een extra reden om actiefkooladsorptie toe te passen. Het verwijderingsrendement van kwik is afhankelijk van de chemische verschijningsvorm. Kwikchloriden zijn eenvoudiger te verwijderen dan kwikoxiden en kwikmetaal. Door de lage gehalten van chloriden in de rookgassen komt het kwikoxide meer voor dan kwikchloride en is een vergaande kwikadsorptie door actieve kool niet goed mogelijk. Speciaal geprepareerde kool (onder andere met zwavel actief gemaakt) kan een extra verwijdering realiseren.
ATM en Sita Remediation hebben een mogelijkheid om kooladsorptie toe te passen indien de procesomstandigheden dat vereisen.

3.4.2.4 Stoffiltratie
De stoffiltratie aan het einde van de rookgasreiniging is noodzakelijk bij toepassing van droge of semi-natte kalkadsorptie, en bij toepassing van poederkooladsorptie voor verwijdering van de stofresten zodat aan de emissie-eis van 10 mg/Nm3 standaard wordt voldaan. De toegepaste stoffilters zijn mouwenfilters die, met de doeken ontwikkeld in de laatste jaren, in staat zijn gebleken om aan deze eis te voldoen.
ATM en Sita Remediation hebben een doekenfilter aan het eind van de rookgasreiniging.

3.5 Bedrijfsvoering

De thermische grondreinigingsinstallaties worden bedreven op basis van continue bedrijfsvoering.
De tijd voor het stilleggen van de installatie is afhankelijk van de afkoeling van naverbrander en trommels. Zolang deze temperatuur zo hoog is dat apparaten kunnen bezwijken of verontreinigde gassen blijven vrijkomen moet de installatie blijven functioneren. Dit is een periode van enkele tot een tiental uren. De volledige afkoeling van apparaten voor onderhoud kan nog veel langer duren.
De tijd voor opstarten is de tijd dat de verschillende apparaten en processtromen op de noodzakelijke temperatuur zijn gekomen. De bepalende factoren zijn de naverbrander en de verdampingssectie. Afhankelijk van de installatie kan dit enkele tot een tiental uren duren.
De apparaten blijven het best in functie met de minste temperatuurwisselingen. Elke keer afkoelen en opwarmen is nadelig voor de levensduur van de apparaten.
In de praktijk worden de installaties zo bedreven dat stilleggen en opstarten zoveel mogelijk worden beperkt. Preventief onderhoud dient het aantal effectieve operationele uren te maximaliseren. Bij een goed onderhoudssysteem zijn meer dan 7000 tot 7500 operationele uren per jaar mogelijk gebleken (een effectiviteit van 80 tot 86 %).

3.6 Procesbesturing

De thermische installaties hebben alle een gedeeltelijk geautomatiseerde procesbesturing. Voor de handhaving van de verschillende procesparameters (temperaturen en drukken) en processtromen (kwantiteit en kwaliteit) is automatisering onmisbaar. De mate van automatisering is afhankelijk van iedere installatie.
In geen van de installaties is de automatisering zo volledig dat een menselijke permanente controle achterwege kan blijven. Bij alle installaties is continu een operator aanwezig vergezeld door de minimale begeleiding voor arbeidsomstandigheden en personeel belast met de aanvoer en afvoer van grond, en lopend onderhoud.

3.7 Capaciteiten

De capaciteit van de installaties wordt bepaald door een aantal factoren zoals maximale gronddoorvoer, maximale thermische warmte-overdracht naar de grond, maximale capaciteit van de naverbrander en maximale capaciteit van de rookgasreiniger. Welke van deze factoren de capaciteit van de grondreiniging bepalen is afhankelijk van de grondsoort, het vochtgehalte en de verontreinigingsgraad.
Om bovengenoemde redenen is het moeilijk een eenduidige capaciteit aan te geven
De capaciteit van de installaties in Nederland is gepubliceerd in hun MER en de organisaties geven zelf het volgende aan.

Tabel D2.5 Capaciteit van Nederlandse thermische reinigers voor grond op jaarbasis