Thermische immobilisatie grond, uitvoeringsvormen en apparaten
3.2 Thermische immobilisatie
In de praktijk wordt thermische immobilisatie, zowel sinteren als smelten, in Nederland nog niet op praktijkschaal uitgevoerd. In Nederland is ervaring opgedaan met het sinteren van verontreinigde baggerspecie tot grind (Dusagrind) en bakstenen (Kennemer Mop). In het buitenland, met name in Japan en Duitsland, is met sinter- en smeltprocessen ervaring opgebouwd. Deze ervaring is echter voor een groot deel gebaseerd op het sinteren en smelten van andere afvalstoffen dan verontreinigde grond. In Japan bestaat met name ervaring in het verwerken van zuiveringsslib, in Duitsland is praktijkervaring opgedaan met het sinteren van baggerspecie.
Een algemeen schema voor het sinteren en smelten is als volgt:
Figuur D5.2 Sinteren en smelten
3.2.1 Sinteren
In Nederland heeft Dusaltec (voorheen Ecotechniek) veel onderzoek uitgevoerd naar de mogelijkheden van het sinteren van mengsels van verschillende verontreinigde materialen, zoals baggerspecie, verontreinigde grond, vliegas, (gepyrolyseerd) zuiveringsslib en de as van verbrand zuiveringsslib.
Dusaltec bereidt inmiddels in Moerdijk de bouw voor van een installatie voor het thermisch immobiliseren van sterk verontreinigde baggerspecie. De installatie zal een verwerkingscapaciteit van circa 600.000 tot 1000.000 m3 specie per jaar hebben. Waarschijnlijk kan eind 2005 de eerste specie tot Dusagrind worden verwerkt.
Daarnaast is in Nederland (2001-2002) door het uitvoeren van een praktijkproef aangetoond dat het mogelijk is om uit verontreinigde baggerspecie bruikbare bakstenen (Kennemer Mop) te maken. Om baggerspecie te kunnen gebruiken in de kermische indistrie dient de specie wel te voldoen aan aan aantal technische en miliehygiënische randvoorwaarden.
In Duitsland heeft het bedrijf Zublin ervaring met het sinteren van mengsels van baggerspecie, klei, zuiveringsslib en industriële slibben.
Het sinterproces vindt plaats in de volgende stappen:
- voorbehandeling;
- pelletisering;
- sintering;
- koeling.
Voorbehandeling
De voorbehandeling bestaat uit het zo nodig ontwateren en zeven van het te behandelen materiaal, en het mengen van verschillende verontreinigde materialen onderling en met toeslagstoffen. Een van de materialen waarmee gemengd kan worden is gepyrolyseerd (ontgast) zuiveringsslib.
Pelletisering
Na de voorbehandeling wordt het materiaal gepelletiseerd, waarna het in een draaitrommeloven wordt behandeld onder oxiderende omstandigheden.
Sintering
In de eerste fase (tot 250 °C) wordt het materiaal gedroogd, daarna wordt (tot ca. 500 - 700 °C) het organische materiaal geoxideerd, waarna bij temperaturen tot ca. 1200 °C sintering plaatsvindt.
Afhankelijk van het te behandelen materiaal en van de snelheid van opwarming in de draaitrommeloven zal de dichtheid van het product verschillend zijn.
Koeling
Na koeling wordt het product gezeefd, zo nodig wordt het materiaal gespoeld om zoutaanslag aan de buitenkant van de korrels te verwijderen.
De afgassen uit de trommel worden via een rookgasreinigingsinstallatie geleid waarin zij ontdaan worden van verontreinigende stoffen (Zie D2, Thermische grondreiniging).
Door het Duitse bedrijf Lurgi wordt de sinterbandoven voorgesteld voor het uitvoeren van het sinterproces.
Bij dit type oven wordt het materiaal over een band door de oven geleid. De hete gassen worden van boven af door het sinterbed geleid. De bovenste laag is het gerede product, de onderste laag is nog niet voldoende gebakken en wordt teruggevoerd in het proces.
Het gehele proces bestaat uit de volgende stappen:
Nadat het materiaal wanneer dat nodig is mechanisch ontwaterd is (1), wordt het gemengd (2) met reeds gebakken materiaal in een zodanige mengverhouding dat een vochtgehalte van ca. 25% bereikt wordt. Vervolgens worden korrels gevormd door middel van een pelleteringsproces (3).
De korrels worden op de band van de sinterbandoven gebracht en vervolgens gebakken (4) op een temperatuur van 1150 - 1180 °C.
Na afkoeling (5) wordt het materiaal gescheiden (6) in het goed gebakken deel (ca. 1/3, de toplaag) en het niet voldoende gebakken deel. Het niet voldoende gebakken deel wordt gemalen en in het proces gerecirculeerd (7).
Het proces is niet operationeel.
3.2.2 Smelten
Smeltprocessen voor verontreinigde grond zijn op dit moment niet in bedrijf. Een aantal Nederlandse, Duitse en Japanse bedrijven heeft op enige schaal proefprojecten uitgevoerd. In de praktijk bestaat (Japanse) ervaring in het smelten van zuiveringsslib en vliegassen.
De smelttechnologieën kunnen worden verdeeld in:
- glassmeltovens;
- smeltcyclonen;
- metaalbadovens;
- plasma-ovens.
3.2.2.1 Glassmeltovens
Cold top ovens
Cold top ovens zijn elektrische ovens waarin de energie met behulp van elektrodes in de smelt aan het systeem wordt toegevoerd. Het oppervlak van de smelt en de bovenzijde van de oven zijn relatief koel. Een groot voordeel van deze techniek is dat het een bewezen techniek is; daarnaast is de warmteoverdracht efficiënt.
Nadelen zijn dat elektriciteit per GJ duur is en dat elektrodes van tijd tot tijd vervangen moeten worden. Een groot nadeel is de vorming van een schuimlaag, de zogenaamde galle, op het oppervlak van de smelt. Deze moet worden afgevoerd, en bevat een deel van de vluchtige zware metalen. Leveranciers rapporteren een hoeveelheid galle van 10 tot 25% bij het smelten van vliegas.
Hot top ovens
Hot top ovens zijn glasovens waarin de energie met behulp van gas- of olie branders of elektrische gloei elektrodes in de bovenbouw van de ovens via straling (en convectie) in de smelt wordt gebracht. Het grote voordeel van deze technologie is dat zij zich ruimschoots heeft bewezen. Alle grote en vele kleinere glasovens in Nederland zijn van dit type.
Een nadeel is de inefficiënte warmteoverdracht. Schuimvorming (galle) zal bij dit soort ovens minder optreden (de galle smelt weg in de zeer hoge temperatuur aan het oppervlak). De stuurmogelijkheden zijn groter dan bij de cold-top variant. Nadeel is dat er een grote hoeveelheid (te reinigen) rookgas ontstaat. Dit is te verminderen door te werken met zuivere zuurstof.
3.2.2.2 Smeltcyclonen
Bij dit type smelters wordt de reststof (er is ervaring met rioolwaterzuiveringsslib) samen met voorverwarmde lucht tangentiaal in een cycloon-achtige verbrandingskamer gevoerd. De energie wordt voor een groot deel geleverd door de verbranding van het organische deel van de afvalstof. Met een hulpbrander wordt zo nodig extra energie toegevoerd. Na de verbranding in de cycloon van het organische deel valt het residu in een smeltkamer, waaruit het wordt opgevangen. De rookgassen worden in een rookgasreiniging behandeld.
Het voordeel van de techniek is dat deze het verbranden en smelten combineert. Door de korte verblijftijden zijn smeltcyclonen klein en compact. Nadeel is dat het systeem nog niet bewezen is. De in Japan operationele units hebben jarenlang met hoge onderhouds- en reparatiekosten gekampt. Daarnaast zal het door de zeer korte verblijftijden moeilijk zijn een continue procesvoering te bereiken bij een invoer met (soms sterk) wisselende samenstelling zoals grond.
3.2.2.3 Metaalbadovens
Bij dit type ovens wordt het te behandelen materiaal in een gesmolten metaalbad (1650 °C) gestort. De organische reststoffen verbranden volledig, de anorganische delen verdampen, worden in de metaalsmelt opgenomen, bezinken in de metaalsmelt, of blijven als galle op de metaalsmelt drijven.
De technologie is ongeschikt voor sterk silicium houdende materialen zoals grond; is in ontwikkeling, en het is zeer de vraag of de techniek ooit uit het ontwikkelingsstadium zal komen.
3.2.2.4 Plasma-ovens
Plasma's worden wel de vierde aggregatietoestand genoemd, naast de vaste, de vloeibare en de gasvormige fase. Het is de fase waarin de energie van de moleculen zo is toegenomen dat de moleculen gedeeltelijk worden geïoniseerd. Dit kan worden bewerkstelligd door tussen twee elektroden een gasontlading tot stand te brengen. Door de daarbij optredende ionisatie is de gasstroom geleidend geworden; door de ontlading vloeit een elektrische stroom door het gas die Ohmse weerstand ondervindt en daardoor warmte dissipeert. Er zijn twee hoofdtypen plasma's te onderscheiden, thermische (hete) en koude plasma's. Bij thermische (hete) plasma's worden temperaturen van enkele tienduizenden °C bereikt.
Een plasmagenerator bestaat in het algemeen uit de volgende onderdelen:
- een gasvoorziening;
- een elektrische voeding;
- een reactor met elektroden;
- een meet- en regelsysteem.
Het grootste voordeel van plasma's is de hoge energiedichtheid en de hoge temperatuur die kan worden bereikt. Daarnaast is de energieoverdracht zeer efficiënt.
De hoeveelheid rookgassen die bij een plasma-oven moet worden behandeld is zeer gering.
Kleine plasma-ovens hebben het voordeel dat de investering relatief laag is. Voor grote plasma-ovens geldt dat de investering ten opzichte van standaard glasovens juist hoog is.
De techniek wordt in de praktijk nog niet toegepast, er is sprake van drempelvrees. In de staalindustrie staan veel plasma's, voor immobilisatie staat de toepassing van deze techniek nog in de kinderschoenen.