Universität zu Köln

Brück, Felix Benjamin ORCID: 0000-0003-2561-2241 (2019). Accelerated carbonation of waste incinerator bottom ash for trace metal immobilisation. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Bottom ash (BA) constitutes the dominant solid residue of municipal solid waste incineration and millions of tonnes are annually produced, worldwide. Fresh BA contains highly reactive constituents which are metastable under environmental conditions. Their transformation has been referred to as the ageing of BA. It has long since been recognized that ageing reduces the reactivity of BA and therewith the leachability of critical trace metals. Carbonation is a key process in the aging and is initiated by the access of CO2. Passive ageing is commonly applied in many European countries prior to geotechnical utilization or landfilling of BA. However, it requires a large quantity of space, time, and lacks any process control. Carbonation of BA may be accelerated by contacting the material with CO2-rich exhaust gas. Although this has long since been recognized, practical applications have remained beyond reach since reactor sys-tems did not allow for the necessary throughput. Recent studies demonstrated that the material dynamics in rotating drum reactors favour the accelerated carbonation and that rotating drums may be suited for a process implementation at the industrial scale. Yet, knowledge regarding optimum drum operation for accelerated carbonation of BA is still scarce. This thesis aimed at delineating both the technical set-up and the operation parameters suited for process integration of accelerated carbonation at incinerator sites. This included the devel-opment of a screening technique to evaluate the progress of carbonation as well as a stepwise transfer of the reactor system from a jar test into a continuously fed rotating drum reactor sys-tem. Effects of rotation speed and reactor fill level on the solid’s motion were cinematograph-ically analysed. Carbonation performance was assessed by thermogravimetric analyses and the leaching behaviour of the treated BA. The BA used in this study was sampled from a grate-type refuse derived fuel incinerator located in central Germany. Leachate values and particu-larly the high leachate concentrations of Pb characterized fresh BA as a hazardous waste. Laboratory results demonstrated the serviceability and reproducibility of the developed method for the monitoring and quantification of the CO2 uptake by BA in both static and dynamic reac-tor systems. The method is based on following the pressure drop in the gas phase induced by the CO2 uptake of BA close to atmospheric pressure conditions. The monitoring method was next applied to evaluate carbonation kinetics and the influence of fundamental parameters (CO2 concentration, fill level, BA moisture) on accelerated carbona-tion of BA in a rotating drum batch reactor. Both the CO2 uptake rate and the final level of car-bonation increased as the CO2 concentration was raised from 15 to 75 vol.-%. The optimum moisture content for the tested BA was found to be 21 wt.-%, which is roughly in the range of the typical moisture content of BA after temporary storage in a roofed pile. The fill level was not a limiting factor for BA carbonation within the tested range (7 - 45 vol.-%). The latter could be explained by findings obtained by the study of the solids’ motion. The bed behaviour of BA strongly differed from that of standard materials and was more affected by fill level than by ro-tation speed. With increasing fill level, the bed motion changed from slipping to slumping thereby favouring the mixing process. Complementary logging of relative humidity and temper-ature showed constant moisture conditions and self-heating, induced by the exothermal car-bonation reaction. A close relationship between CO2 uptake and reactor temperature was con-firmed by benchmarking a heat balance model against the carbonation enthalpy. Excellent agreement demonstrated that temperature monitoring may be an alternative way of evaluating the progress of carbonation. As a next step carbonation of BA was studied with a continuous feed of the reactant gas and the effects of specific CO2 supply, mixing tools, and reactor loadings on process performance were assessed. The reaction could be accelerated to around 100 minutes and was further en-hanced by the use of mixing tools. Of the configurations tested, a perforated mixing cage per-formed best, even at fill levels of up to 50 %. This set-up was also least prone to the formation of BA incrustations. Finally, a rotating drum reactor continuously fed with both, the reactant gas (60 L/min; 10 vol.-% CO2) and the BA (9 - 18 kg/h), was developed and tested at varied BA residence times. Pro-jected and experimental residence times were compared by mass balancing and by analysing the breakthrough curves of a tracer. Good agreement indicated adequate control of reactor loading and the BA feed rate. In one test, the gas was heated and humidified. Leachates and solid phase properties of the treated BA served to evaluate the carbonation performance. Overall, carbonation improved the leachate quality of BA as the leachate concentrations of critical trace metals (Pb, Zn, Cu) decreased by at least one order of magnitude. A residence time of 80 min was sufficient to reduce the BA leachability such as to characterize the car-bonated material as a non-hazardous waste. This would allow for a disposal on a class 1 land-fill or alternatively for a geotechnical reuse in accordance with the draft of the German Ordi-nance on Secondary Construction Materials. Other than the amphoteric metals, oxyanions like Cr, Mo and V became more mobile upon carbonation. This side effect did not outweigh the benefits since oxyanion concentrations remained below the specific limit values. Therefore, the accelerated carbonation of BA provides a material that is both suited for the cost-effective dis-posal on a lower landfill class and for geotechnical applications. In view of relatively short resi-dence times and stable process performance, the rotating drum reactor seems promising for a full-scale implementation of BA carbonation.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Rostaschen bilden den bedeutendsten festen Rückstand aus der Verbrennung von Restmüll und Ersatzbrennstoffen. Etablierte Entsorgungswege sind einerseits die Deponierung, ande-rerseits die Verwertung als Ersatzbaustoff. Bedingt durch deren hohe Reaktivität durchlaufen Rostaschen während der Alterung eine Vielzahl von mineralogischen Phasenumwandlungsre-aktionen. Besonders bedeutend ist die Carbonatisierung. Hierbei reagiert CO2 mit alkalischen Mineralphasen, wodurch die Auslaugbarkeit vieler kritischer Spurenmetalle deutlich verringert wird. Gängige Praxis ist in vielen europäischen Ländern daher eine mindestens dreimonatige Lagerung, bei der die Alterung unter Umgebungsbedingungen in einem Haufwerk stattfindet. Problematisch hierbei ist neben dem hohen Zeit- und Platzbedarf die schlechte Kontrollierbar-keit des Prozesses. Bei der beschleunigten Carbonatisierung werden die unter natürlichen Bedingungen ablaufenden Alterungsprozesse durch technische Maßnahmen gezielt verstärkt. Vorteile sind der Wegfall einer Lagerhaltung und die Verkürzung des Zeitraumes zwischen Ascheanfall und -entsorgung. Trotz langjähriger Forschung auf diesem Gebiet wurden bisher nur wenige Ansätze zur beschleunigten Carbonatisierung unter vollmaßstäblichen Bedingun-gen getestet. Jüngere Veröffentlichungen weisen darauf hin, dass eine Umsetzung der Carbo-natisierung in rotierenden Trommelreaktoren vielversprechend sein könnte; eine optimale Pro-zessauslegung fehlt jedoch bislang. Das Ziel dieser Arbeit war es einen Verfahrensansatz für die beschleunigte Carbonatisierung von Rostasche zu entwickeln, welcher eine Prozessintegration in ein reales Aschemanage-ment erlaubt. Hierzu sollte zum einen die notwendige Reaktortechnik entwickelt sowie Reakti-ons- und Prozessbedingungen erprobt werden. Dies beinhaltete die Entwicklung eines Mess-systems zur Erfassung der CO2-Aufnahme sowie die schrittweise Reaktorentwicklung vom einfachen Glasgefäß bis hin zu einem kontinuierlich betriebenen Drehrohreaktor. Der Einfluss der Drehgeschwindigkeit und des Reaktorfüllgrades auf die Materialbewegung wurde mittels Videoanalyse untersucht. Die Beurteilung der Carbonatisierungsleistung erfolgte thermogravi-metrisch sowie anhand des Auslaugverhaltes der behandelten Rostasche. Die experimentellen Ergebnisse belegten die Eignung und Reproduzierbarkeit der entwickelten Methode zur Quantifizierung der CO2-Aufnahme der Rostasche sowohl unter statischen als auch unter dynamischen Reaktionsbedingungen. Das Messsystem basiert auf einer Messung des systeminternen Druckabfalls, welcher aus der CO2-Aufnahme der Rostasche resultiert. Die Methode wurde weiterhin verwendet, um die Carbonatisierungskinetik und den Einfluss we-sentlicher Betriebsparameter auf die beschleunigte Carbonatisierung von Rostasche in einem Drehrohreaktor zu untersuchen. Die CO2-Aufnahmerate sowie die innerhalb von 2 h erzielte Gesamtaufnahme erhöhte sich durch Anhebung der CO2-Konzentration von 15 Vol.-% auf 75 Vol.-%. Die optimale Feuchte des Feststoffs lag bei ca. 21 Mass.-%, was in etwa dem typi-schen Wassergehalt einer zwischengelagerten Rostasche entspricht. Der Reaktorfüllgrad war innerhalb des geprüften Wertebereichs (7 - 45 Vol.-%) kein limitierender Faktor. Letzteres konnte anhand des Bewegungsverhaltens der Rostasche im Drehrohr erklärt werden. Mit zu-nehmendem Füllgrad änderte sich das Bewegungsmuster von ‚slipping‘ zu ‚slumping‘, woraus eine erhöhte Mischleistung resultierte. Während der Carbonatisierung stellte sich im Reaktor eine konstante Gasfeuchte ein und aufgrund der Exothermie der Reaktion kam es zu einer Selbsterwärmung. Im Bilanzmodell zeigte sich entsprechend ein enger Zusammenhang zwi-schen der beobachteten Wärmefreisetzung und der aufgenommenen CO2 Menge. Die Reak-tortemperatur wurde daher als ein möglicher Parameter zum Prozessmonitoring vorgeschla-gen. Im Anschluss an die Versuche zur Carbonatisierung im Batch-Modus wurde eine Durchfluss-begasung realisiert und der Einfluss der spezifischen CO2-Beschickung, von Mischwerkzeugen und des Reaktorfüllgrads auf die Carbonatisierungsleistung untersucht. Die nötige Reaktions-zeit lag bei 100 Minuten und die Reaktion konnte durch den Einsatz von Mischwerkzeugen weiter forciert werden. Von den getesteten Mischwerkzeugen erwies sich ein perforierter Mischkorb als besonders günstig, da dieser einerseits die Durchmischung verbesserte, ande-rerseits auch die geringste Anfälligkeit gegenüber Verkrustungsbildung zeigte. So konnte selbst bei hohen Füllständen (50 Vol.-%) noch eine gute Carbonatisierung erzielt werden. Als letzter Schritt wurde ein Drehrohrreaktor zur kontinuierlichen Beaufschlagung sowohl mit Reaktionsgas (3600 L/h; 10 Vol.-% CO2) als auch mit Rostasche (9 - 18 kg/h) konstruiert und getestet. Die vorgegebenen und experimentell ermittelten Verweilzeiten wurden basierend auf einer Massenbilanz und der Analyse des Tracerdurchbruchverhaltens verglichen und zeigten eine sehr gute Übereinstimmung. Entsprechend der Auslauguntersuchungen war eine Ver-weilzeit von 80 Min ausreichend, um eine deutliche Immobilisierung kritischer Spurenmetalle (Pb, Zn, Cu) zu erzielen. Insgesamt verbesserte sich das Auslaugverhalten soweit, dass die Zuordnungswerte der Deponieklasse I erfüllt wurden. Im Unterschied zu den genannten Metal-len war für die Oxoanionenbildner (Cr, Mo, V) eine geringfügige Konzentrationszunahme fest-zustellen. Diese stellte jedoch weder eine Einschränkung für die kostengünstigere Deponie-rung noch die ersatzbaustoffliche Verwertung der carbonatisierten Rostasche dar. Die hier gezeigten Ergebnisse zeigen erstmalig, dass und wie die Carbonatisierung von Rostasche in einem dynamischen Reaktor bei kontinuierlicher Feststoff- und Reaktionsgasaufgabe gelingt. Damit ist eine wesentliche Voraussetzung für die Integration in das Aschemanagement von Müllverbrennungsanlagen und Aufbereitungsanlagen gegeben. English
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Brück, Felix Benjamin felix.brueck@web.de orcid.org/0000-0003-2561-2241 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-100144
Date:	2019
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Geosciences > Geographisches Institut
Subjects:	Technology (Applied sciences) Geography and travel
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Incineration; Bottom ash; Waste incineration residue; alkaline waste; accelerated carbonation; carbon dioxide; CO2 capture; ageing; rotating drum; leaching English Abfallverbrennung; Thermische Abfallbehandlung; Rostasche; Alkalische Rückstände; Beschleunigte Carbonatisierung; Alterung; CO2 Aufnahme; Kohlenstoffdioxid; Rotierender Reaktor; Auslaugverhalten; German
Date of oral exam:	24 July 2019
Referee:	Name Academic Title Mansfeldt, Tim Prof. Dr. Weigand, Harald Prof. Dr. Bogner, Christina Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/10014