Thermische Abfallbehandlung
Begriffsdefinitionen
Verbrennung
Die Verbrennung ist ein exothermer Vorgang, bei der organische Ausgangsstoffe mit Sauerstoff unter Freisetzung von Wärme unter Bildung von Kohlendioxid und Wasser reagieren. Technisch gesehen erfolgt die Verbrennung von Abfällen z.B. in einer Müllverbrennungsanlage in mehreren hintereinander ablaufenden Teilschritten:
- Trocknung
Durch die Erwärmung wird dem feuchten Abfall das Wasser entzogen. Aufgrund der hohen Verdampfungsenthalpie von Wasser (2.257 kJ/kg Wasser) verbraucht die Umwandlung des im Abfall enthaltenen Wassers in Wasserdampf viel Wärmeenergie.. Entsprechend sind insbesondere Fehlwürfe durch z.B. Biomüll, der einen hohen Wassergehalt aufweist, zu vermeiden, sodass entsprechende Abfälle einer korrekten stofflichen Verwretung zugeführt werden (Kompostierung).
- Verbrennung
Bei einer Temperatur von über 800 C werden die durch Entgasung und Vergasung entstandenen brennbaren Gase durch Reaktion mit dem Sauerstoff aus der Verbrennungsluft zu Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) umgesetzt. Bei einer vollständigen Verbrennung (ausreichende Zufuhr von Sauerstoff!) wird die im Abfall enthaltene Energie in Wärme freigesetzt.
Schadstoffe
In einer Müllverbrennungsanlage laufen die einzelnen Teilschritte von der Trocknung mit Zwischenschritten der Entgasung oder Vergasung bis zur eigentlichen Verbrennung nebeneinander im Verbrennungsraum ab. Um eine vollständige Verbrennung zu gewährleisten, werden Abfälle unter Sauerstoffüberschuß verbrannt. Nachdem die Luft etwa nur zu 21% aus Sauerstoff und zu 69% aus Stickstoff besteht, werden pro Tonne Müll etwa 4.000 m3 Luft zur Verbrennung benötigt. Durch die Verbrennung werden die im Abfall enthaltenen
- organischen Schadstoffe (z.B. Dioxine, Furane, polychlorierte Verbindungen, aromatische Verbindungen usw.) zerstört.
- flüchtige anorganische Schadstoffe (wie z.B. Quecksilber, Chlor, Fluor, Schwefel) mittels Rauchgasreinigung gezielt erfaßt, chemisch gebunden und für weitere Verwertungsmaßnahmen aufbereitet oder schadlos entsorgt (z.B. Schwefel in Form von Gips, Quecksilber als metallisches Quecksilber, Chlor in Form von Salzsäure).
- nicht flüchtige anorganische Schadstoffe (wie z.B. Blei oder Zink) in die Schlacke eingebunden, die durch entsprechende Nachbehandlung als Bauzuschlagstoff verwertbar wird oder gemäß den Vorgaben der Deponieverordnung ablagerbar wird.
Zusätzlich werden in der Abluftreinigung der Verbrennungsanlage sonstige gasförmigen oder partikulären Schadstoffe abgeschieden, auch Schadstoffe wie beispielswiese Stickoxide die im Zuge des Verbrennungsprozesses entstehen.
Durch die Abfallverbrennung wird das Ausgangsvolumen der Abfalle um etwa 90% verringert, wodurch vorhandenen Deponiekapazitäten um den Faktor 10 verlängert werden können.
Pyrolyse
In der Abfallentsorgung haben Pyrolyseverfahren für Hausmüll oder andere Massenabfälle bisher keine besondere Bedeutung erlangt, obwohl - vor allem in den 70er-Jahren - große Erwartungen in diese Verfahren gesetzt wurden. Als Vorteil sah man vor allem die Möglichkeit, "chemisch gebundene Energie" in speicherbares Pyrolysegas umzusetzen und auch Chemierohstoffe aus z.B. Kunststoffabfällen gewinnen zu können. Obendrein sind bei der Reinigung von Pyrolysegasen erheblich geringere Gasvolumina zu reinigen als nach der Abfallverbrennung. Die Pyrolyse wird als selbständiges Verfahren eingesetzt. In verschiedenen Verfahren ist sie ein Teilschritt, der in einem gesonderten Apparat abläuft.
Begriff: Mit Pyrolyse wird ein Vorgang über das Verfahren zur thermischen Behandlung von organischen Stoffen unter Ausschluss von Luft (bzw. Sauerstoff) bezeichnet.
Mechanismen: Je nach Aufbau der Moleküle beginnt der Pyrolyse-Vorgang bei verschiedenen Temperaturen. Der Verlauf der chemischen Reaktionen bei der Entgasung kann gezielt beeinflusst werden, da er von vielen Parametern abhängig ist. Die quantitative Verteilung und die qualitative Zusammensetzung der Produkte werden von folgenden Faktoren bestimmt:
- vom Einsatzmaterial hinsichtlich seiner chemischen Zusammensetzung dem Wassergehalt sowie der Partikelgröße,
- von den Betriebsbedingungen wie Entgasungsendtemperatur, Aufheizrate, Verweilzeit, Gasatmosphäre, Druck und Anwesenheit katalytisch wirkender Stoffe,
- vom Reaktortyp, in dem die Reaktion stattfindet, wie z.B. Wirbelschicht-, Drehrohr- oder Schachtreaktor.
Anwendung: Pyrolyseverfahren werden in der Abfallverwertung eingesetzt, organische Stoffe in Stoffgemischen in eine Gas- bzw. kondensierbare Gasfraktion und eine Feststofffraktion zu zersetzen, ohne dabei die hohen Temperaturen die bei der Verbrennung herrschen, einzusetzen.
Beispiel Kunststoffpyrolyse: Durch die unterschiedlichen Zerfallsmechanismen und -geschwindigkeiten und insbesondere deren unterschiedliche Temperaturabhängigkeit ist theoretisch eine Auftrennung der verschiedenen Kunststoffe in verschiedene Fraktionen (Pyrolyseöl) durch temperaturprogrammierte Pyrolyse möglich. Dies wird als Anreiz gesehen um aus Kunststoffen durch Pyrolyse gezielt Chemierohstoffe zu gewinnen.
Nebenprodukte: Die Pyrolyse zielt in ihrem ursprünglichen Ansatz, wie die Hydrierung auch, auf die Gewinnung von Chemierohstoffen z.B. für die erdölverarbeitende Industrie ab. Hierbei ist die Lagerfähigkeit der flüssigen Produkte von Vorteil. Bedingt durch die Abwesenheit von überschüssigem Sauerstoff herrscht während der Reaktionen eine reduzierende Atmosphäre vor.
Energiebilanz: Die Pyrolyse ist zwar insgesamt ein endothermer Prozess, jedoch kann ein Teil der erforderlichen Energie durch das erzeugte Pyrolysegas gedeckt werden.
