energy innovation NAAR DE VAN PYROLYSE J.P.A. A.B.J. H. Postbus 1 ZG Petten

energy innovation

NAAR DE VAN PYROLYSE J.P.A. A.B.J. H.

Postbus 1 ZG Petten

ECN-C--98-023

1998

NAAR DE VERWERKBAARHEID VAN PYROLYSE J.P.A. NEEFT A.B.J. H. VAN

Revisies A B door.

Neeft Geverifieerd door

C oedgekeurd door

Conversie & Milieu

Werkeenheid: B iomassaconversietechnologie

J. 1 door

C . A . M . van

der Klein

de

van drie

pyrolyse

Colofon 355297/6020 Het in dit rapport beschreven project is uitgevoerd door E C N , Hanze Milieu, Mirec en (onderdeel AVR-Bedryven) het kader van het programma Beheer en coordinatie van het EWAB-programma berusten NOVEM

V (Nederlandse

Voor Energie en Milieu)

Catharijnesingel 59 Postbus 8242 R E Utrecht Telefoon: 030 2393493 Contactpersoon: A.E. E W A B eeeft

voor de juistheid en/of volledigheid van gegevens, producten

dit rapport, noch voor de

daarvan voor

byzondere

Aan deze publicatie kunnen geen rechten worden ontleend. en publicatie

uit dit rapport is alleen toegestaan met

en ha schriftelijke

De rapportage is opgesteld door Energieonderzoek Centrum Nederland E C N Westerduinweg 3 . Postbus 1 1755 Z G Petten Telefoon: 0224 564504 Drs. A B J . Oudhuis

Datum rapportage:

Trefwoorden Afvalverwerking Elektronikaschroot Kabelafval Pyrolyse Reststromen Tapijtafval Thermische Vergassing

2

1998

Abstract This report describes the outcome of a study towards pyrolysis based thermal treatment of three waste streams. The study has been performed under supervision of a project team with members of E C N , Hanze Milieu, Mirec en R A V (part of Three waste streams have been selected by the members of the project team. Criteria for this selection were that the waste streams can not or can hardly be treated at this moment, and that the availability of the waste streams is sufficiently high to realise an installation for thermal treatment. The three selected waste streams are electronic scrap, cable waste and carpet waste. Subsequently, an assessment has been made towards the possibilities for thermal treatment of these waste streams with a technique which is based on a combination of either pyrolysis plus gasification or pyrolysis plus combustion. This has been done in a three step evaluation. In the first step, an assessment of the rate of pyrolysis of the selected waste streams has In the second step, a set of four techniques for thermal treatment have been selected and have been described. The third step consisted of a study towards both the yield and the costs of production of electricity when threating the selected waste streams with the selected waste treatment techniques. The main conclusions of this study are: • The three selected waste streams are typified by a calorific value between and 20 MJ/kg ( L H V on a wet basis) and a percentage of ash varying between 29 and 46 per cent by weight; • The availability of the waste streams is sufficiently high to supply a thermal treatment installation with a capacity of 60.000 tons per year. The share of carpet waste in this 60.000 ton/year is twice the share of the other two selected waste streams (electronic scrap : cable waste : carpet waste = 1 : 1 : 2 ) ; • The pyrolysis of the three selected waste streams is assessed to be well feasible. Decomposition of the waste streams by pyrolysis occurs at temperatures in the range from 250 to 500 ° C . • Four thermal treatment techniques, based on pyrolysis, have been selected. These techniques are developed to pilot-scale at least: Gibros P E C , Konversionsverfahren, Siemens Verfahren and •

The electrical efficiencies for the treatment of the three waste streams in the three techniques which are based on pyrolysis plus gasification (Gibros, Noell and Thermoselect) do hardly differ. A further comparison was made for the mix of the three waste streams in a proportion similar to the proportion available for a future installation (electronic scrap : cable waste : carpet waste = 1 : 1 : 2 ) . This comparison showed that the electrical efficiencies are about 21% when using a gas engine with an efficiency of 34%, and are about 33% when using a gas engine plus additional electricity generation from heat (e.g. steam cycle plus steam turbine) with an overall efficiency of

50%. •

A choice for one of the selected waste treatment techniques has not yet been made because insufficient information is available on investment costs and on quality and related costs or profits of the solid residuals from the treatment of the waste streams. •

ECN-C-98-023

Three recommendations have been formulated which must lead to a selection of technology and an eventual further selection of waste streams. Then, the second phase of the overall project can be started, which includes a pre-design of an installation.

3

Haalhaarheidsstudie naar de verwerkbaarheid van drie reststromen middels pyrolyse

ECN-C--98--023

INHOUD SAMENVATTING

7

1. I N L E I D I N G 1.1 Beschikbare informatie Probleemstelling 1.3 Doelstelling Samenstelling projectteam 1.5 Werkwijze

9 9

2. R E S T S T R O M E N 2.1 Overzicht en selectie van beschikbare reststromen 2.2 Globale samenstelling van geselecteerde reststromen 2.2.1 Elektronicaschroot 2.2.2 Tapijtafval 2.2.3 Kabelafval Beschikbaarheid en huidige van geselecteerde reststromen 2.3.1 Elektronicaschroot 2.3.2 Tapijtafval 2.3.3 Kabelafval 2.4 Monstemame, chemische samenstelling en ontledingsprofiel van geselecteerde reststromen 2.4.1 Monstemame en voorbereiding 2.4.2 Chemische samenstelling 2.4.3 Ontledingsprofiel in een thermobalans 2.4.4 Verwerkbaarheid van reststromen met behulp van pyrolyse 3. B E S C H I K B A R E P Y R O L Y S E T E C H N I E K E N 3.1 Historie en achtergrond 3.1.1 Het Kiener pyrolyseproces 3.1.2 Pyrolyse voorbewerkingsstap Pyrolyse/vergassing van afval versus afvalverbranding 3.2 Methodiek 3.2.1 Gehanteerde criteria bij de selectie van processen 3.2.2 Gemaakte aannamen 3.3 Overzicht van geselecteerde processen 3.4 Gibros P E C 3.4.1 Historie en licenties 3.4.2 Procesbeschrijving 3.5 3.5.1 Historie 3.5.2 Procesbeschrijving 3.5.3 Relevante achtergrondinformatie 3.6 Siemens Verfahren 3.6.1 Historie 3.6.2 Procesbeschrijving 3.7 Thermoselect 3.7.1 Historie 3.7.2 Procesbeschrijving 3.7.3 Relevante achtergrondinformatie

10

13 14 14 15 16 17 17 18 19 20

25 25 25 25 25 26 26 26 27 28 28 29 30 30 30 30

32 33 33 34 34

5

Haalbaarheidsstudie naar de verwerkbaarheid van drie reststromen middels pyroly;

36

3.8 Discussie 4. V E R W E R K I N G S K A R A K T E R I S T I E K E N 4.1 Methodiek 4.1.1 Berekening energiebalansen en verwerkingskosten Schatting van 4.2 Energiebalansen en 4.2.1 Konversionsverfahren 4.2.2 Thermoselect 4.2.3 Gibros 4.2.4 Vergelijking tussen Noell, Thermoselect en Gibros 4.3 Verwerkingskosten 4.4 Discussie 4.4.1 Energiebalansen 4.4.2 Kanttekeningen bij de resultaten

37

37 38 38 39 39 40 42 42

5. 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6

Selectie betreft of niet verwerkbare reststromen Te implementeren installatie moet voldoen aan vigerende emissienorm Reststoffen zijn toepasbaar (bouwstoffenbesluit) Verhoging van energetisch rendement Verlaging van de verwerkingsprijs Technologie bevindt zich op pilotschaal

50

6. C O N C L U S I E S 7.

AANBEVELINGEN

BIJLAGE 2 Bijlage Bijlage Bijlage Bijlage

52

53

LITERATUUR

BIJLAGE 1

45 45

Analyses van de drie reststromen. Datasheets van 'Phyllis Technische procesgegevens 2a Technische procesgegevens van Gibros-PEC / P K A 2b Technische gegevens van Noell Konversionsverfahren 2c Technische gegevens Siemens Verfahren 2d Technische gegevens Thermoselect

BIJLAGE 3 Reactor-ontwerp Bijlage 3a in Noell Konversionsverfahren Bijlage 3b Gekoppelde pyrolysekanaal met vergassingsreactor van Thermoselect

6

BIJLAGE 4

Gegevens voor het bepalen van de energiebalansen van de drie geselecteerde reststromen in de processen van Noell Flugstrom en Thermoselect

BIJLAGE 5

voor het bepalen van de energiebalansen van de drie geselecteerde reststromen voor Noell en voor Thermoselect

ECN-C--98--023

SAMENVATTING De interesse voor thermische verwerkingstechnieken van reststromen is in de laatste jaren toegenomen. Redenen hiervoor zijn onder andere: •

het

aantal moeilijk te verwerken reststromen dat niet

mag worden

•

gestort; de toenemende kosten van afvalverbranding in roosterovens; de dat met nieuwe thermische verwerkingstechnieken een hogere energetische en/of een lagere ten opzichte van afvalverbranding in roosterovens kan worden bereikt. •

In dit rapport wordt verslag gedaan van een studie naar de thermische verwerking van een drietal reststromen waarin pyrolyse een van de verwerkingsstappen is. Deze studie is uitgevoerd onder leiding van een projectgroep bestaande uit van E C N , Hanze Milieu, Mirec en R A V (onderdeel AVR-Bedrijven). Door deze projectgroep zijn drie reststromen geselecteerd die op dit moment moeilijk kunnen worden verwerkt en waarvan de beschikbaarheid voldoende is om een installatie voor de verwerking van deze drie reststromen te kunnen realiseren. Deze drie reststromen zijn elektronicaschroot, kabelafval en tapijtafval. Vervolgens is een inschatting van de mogelijkheid om deze reststromen te verwerken met een techniek op basis van pyrolyse-vergassing of pyrolyseverbranding. Daartoe is de pyrolyseerbaarheid van de geselecteerde reststromen onderzocht, zijn vier verwerkingstechnieken geselecteerd en beschreven en de van verwerking van de geselecteerde reststromen in de vier verwerkingstechnieken onderzocht. De belangrijkste conclusies uit deze studie zijn: • De drie geselecteerde reststromen zich door een calorische waarde tussen 17 en 20 MJ/kg ( L H V op natte basis) en percentages as varierend van 29 tot 46% op gewichtsbasis; • De beschikbaarheid van de reststromen is zodanig, dat een installatie met een verwerkingscapaciteit van 60.000 ton per jaar van reststromen kan worden voorzien. In deze 60.000 ton is het aandeel van tapijtafval twee zo groot dat van de andere twee reststromen tapijtafval = 1 : 1 : 2 ) ; • De pyrolyseerbaarheid van de drie geselecteerde reststromen wordt als goed ingeschat. De drie reststromen ontleden bij in het bereik van 250 tot 500° C ; • Vier verwerkingstechnieken op basis van pyrolyse zijn geselecteerd die zich op bevinden. Deze technieken zijn Gibros P E C , Noell . Konversionsverfahren, Siemens Verfahren en Thermoselect; • De elektrische rendementen van verwerking van de drie reststromen in de drie verwerkingstechnieken op basis van pyrolyse-vergassing (Gibros, Noell en Thermoselect) ontlopen elkaar weinig. Als wordt uitgegaan van een mix van de drie reststromen die in een installatie worden verwerkt tapijtafval = 1 : 1 : 2) dan liggen deze rond de 21% als wordt dat een met een van 34% wordt ingezet. De elektrische rendementen liggen rond de 33% als een gasmotor plus additionele

7

Haalbaarheidsstudie naar de verwerkbaarheid van drie reststromen middels pyrolyse

elektriciteitswinning uit de (bijvoorbeeld een met stoomturbine) met een overall efficientie van 50% kan worden ingezet; Een keuze voor een van de geselecteerde verwerkingstechnieken kan nog niet worden nog niet voldoende voorhanden is over benodigde investeringskosten en over kwaliteit en daarmee samenhangende kosten of baten van de reststoffen. Een drietal aanbevelingen is geformuleerd dat, na uitwerking, moet leiden tot de keuze voor een technologie en eventuele verdere selectie van de reststromen. Deze technologiekeuze kan dan in een volgende, tweede fase leiden tot een voorontwerp. •

•

8

ECN-C--98--023

1. INLEIDING 1.1 Beschikbare informatie Pyrolyse is een thermische bewerkingsroute voor biomassa en reststromen. Tijdens pyrolyse vindt ontleding plaats onder uitsluiting van zuurstof. Hierbij ontstaan gasvormige en vloeibare producten (na condensatie bij kamertemperatuur) alsmede vaste stoffen. Deze producten kunnen voor verschillende toepassingen worden gebruikt. De toepassingsmogelijkheden zullen mede afhangen van de kwaliteit en samenstelling van de gevormde producten. Voldoende kwaliteit van de vloeibare producten, waardoor deze kunnen worden opgewerkt tot bijvoorbeeld vloeibare brandstof, is alleen indien uitgegaan wordt van een schone en voeding. Met een voeding niet recyclebaar kabelafval of elektronicaschroot is een laagwaardig olieproduct het resultaat dat pas na uitgebreide opwerking en reiniging toepasbaar is. Eenvoudiger is het met een dergelijke voeding de gevormde koolwaterstoffen te tot een synthese gas (Thermoselect, Gibros Molten Metal of Proler) of te verbranden Verfahren). De producten zijn relatief eenyoudig te reinigen, terwijl het schone gas op verschillende toegepast kan worden. Voordelen van deze verwerking met gasvormige producten zijn een in potentie brede toepasbaarheid, een hogere energetische efficientie, een gasreiniging en kwalitatief betere reststoffen. Deze voordelen zijn met name van belang in het van de 10% duurzame energie doelstelling in de derde energienota. Hiervoor dienen naast schone biomassa ook (vervuilde) reststromen ingezet te worden, zoals bijvoorbeeld de reeds eerder genoemde stromen. Deze stromen hebben een gezamenlijke beschikbaarheid van dan 100.000 ton per jaar (zie paragraaf 2.3 van dit rapport) zodat een besparing kan worden bereikt op de inzet van fossiele brandstoffen en grondstoffen door de energie-inhoud en de recyclebaarheid van de aanwezige mineralen en metalen. E C N heeft het initiatief tot de van een initiatiefgroep bestaande uit relevante marktpartijen met betrekking tot de Thermische verwerking van industriele met inzet van de Pyrolyse techniek (TAP). Tijdens de eerste met name vanuit de toekomstige exploitanten de behoefte aan een haalbaarheidsonderzoek met betrekking tot de exploitatie. Voor de uitvoering van het onderzoek heeft het E C N de beschikking over karakteriseringsinstallaties voor het vaststellen van samenstelling en eigenschappen van reststromen. Hierbij worden de bevindingen en aanbevelingen gevolgd van de werkgroep Biomassa Verder heeft het E C N installaties voor onderzoek naar de verwerkbaarheid van energierijke reststromen door van pyrolyse en de programmatuur en modellen voor het uitvoeren R A V (onderdeel van de AVR-Bedrijven), Hanze Milieu en Mirec hebben kennis van en de beschikking over reststromen met een significante positie in de afvalwereld. Met deze kennis, positie en faciliteiten zijn de betrokken partijen in staat deze haalbaarheidsstudie uit te voeren.

ECN-C-98--023

9


1.2 Probleemstelling Probleem op dit moment is het gebrek aan gegevens voor de verwerking van specifieke reststromen, waardoor de haalbaarheid van de verwerking van deze reststromen niet kan worden ingeschat. Dit gebrek aan gegevens betreft: •

Technische gegevens: wat zijn producten en bij pyrolyse, wat is het energetisch en wat zijn de van de geschikte pyrolyseprocessen voor verwerking van de reststromen? Economische gegevens: hoe verhouden de kosten en baten van de verwerking van de reststromen zich in de diverse pyrolyseprocessen? •

1.3 Doelstelling Het project heeft tot doel het inventariseren van de technisch / economische haalbaarheid van pyrolyse voor de verwerking van een drietal specifieke reststromen op basis van in het project vast te stellen verwerkingskarakteristieken zijnde energetisch rendement, emissies en globale verwerkingskosten. Naast criteria voor de doelstelling kunnen voor fase 1 de criteria worden toegevoegd dat de reststromen verwerkbaar zijn door van pyrolyse en beschikbaar zijn of te contracteren door de industriele participanten. Dit project als fase 1 uit van een groter en gefaseerd project, met als doelstelling het tot van pyrolyse voor de verwerking van specifieke reststromen. Deze doelstelling in de volgende vier fasen worden nagestreefd: Fase 1: Inventariseren van de haalbaarheid van pyrolyse voor de verwerking van een drietal specifieke reststromen (het huidige project); Fase 2: en technologie keuze en voorontwerp; Fase 3: Locatiekeuze en detailontwerp; Fase 4: Bouw en implementatie. het formuleren van de algemene doelstelling zijn tevens een aantal randvoorwaarden waaraan moet worden voldaan: • Reststromen worden verwerkt die niet of moeilijk door de huidige thermische verwerkingstechnieken kunnen worden verwerkt; • De te implementeren installatie voldoet aan de vigerende emissienorm; •

De reststromen uit het verwerkingsproces zijn nuttig toepasbaar (bouwstoffenbesluit indien van toepassing); •

Het •

De verwerkingsprijs is lager dan de van de huidige techniek of technieken de specifieke reststroom wordt verwerkt; De te implementeren technologie bevindt zich op pilot schaal. •

energetisch

rendement

is

gelijkwaardig

of

beter

dan

de

huidige

Tevens kan nog worden gesteld dat de Nederlandse industrie bij voorkeur een zo groot aandeel heeft in de te implementeren technologie.

10

Inleiding

1.4 Samenstelling projectteam Voor de uitvoering van deze haalbaarheidsstudie is een projectteam gevormd bestaande uit de volgende personen: H . Kasper W.H.P. Lucassen J.P.A. Neeft A . B . J . Oudhuis H.J. Witteveen

Hanze Milieu Mirec ECN ECN Rotterdam Afvalverwerking (onderdeel van AVR-Bedrijven)

Dit projectteam is gedurende het project een vijftal malen bijeen gekomen.

1.5 In het kader van deze haalbaarheidsstudie zijn de volgende werkzaamheden uitgevoerd:

a. b. c.

Omschrijving

Uitvoering

Maken van overzicht van beschikbare reststromen

alien

van een

potentieel interessante reststromen

Karakteriseren van deze reststromen met betrekking tot: - beschikbaarheid en huidige - samenstelling

RAV, Hanze Milieu en Mirec RAV, Hanze Milieu en ECN

d.

Inventariseren beschikbare pyrolyse technieken met inbegrip van voorbehandeling, gasreiniging en electriciteitsopwekking (globaal procesontwerp van integraal verwerkingsproces)

ECN

e.

Vaststellen verwerkingskarakteristieken (emissies, energetisch rendement en globale verwerkingsprijs) van geselecteerde reststromen met beschikbare pyrolyse technieken

ECN

f.

Toetsen aan de gestelde randvoorwaarden

alien

Rapporteren

alien

11


12

ECN-C--98--023

2. RESTSTROMEN 2.1 Overzicht en selectie van beschikbare reststromen Het overzicht van beschikbare reststromen is gemaakt op basis van inventarisaties van marktstudies voor afvalaanbod en interviews van afvalbezitters en -verwerkers. De selectie van potentieel interessante stromen heeft plaatsgevonden door de betrokken industrieen mede op basis van voor hen te verwachten marktperspectieven voor de toekomstige verwerking. Belangrijke selectiecriteria daarbij zijn de beschikbaarheid en het op dit moment niet of beperkt beschikbaar zijn van een verwerkingsroute. In 1 is een overzicht van potentiele reststromen gegeven. Tevens zijn de drie geselecteerde stromen aangegeven en daarbij de industrie die als contactpersoon optreedt. Tabel 1 Overzicht van potentiele, met te verwerken reststromen. '++':de reststroom is bij of via de boven de genoemde projectpartner beschikbaar en wordt nog niet of slechts in beperkte mate verwerkt. '+': idem, alleen de reststroom in Nederland in relatief kleine hoeveelheden vrij (kabelmoffen) of wordt op dit moment onderzocht (ASR). Reststroom (bron: [1]) - Actief beladen - Aluminiumschroot - Autoshredderresidu (A.SR) - AVI vliegas - Batterijen - Bedrijfsafval - Bouw en sloopafval - Chemisch afval, brandbaar - Dakleer - Draaispanen (verontreinigd met - Elektronicaschroot bruingoed) - Grond (veen), vervuild en niet reinigbaar - Grondreinigingsresidu - Hout, - Kabelafval - Grondkabels - Kabelmoffen - Kunststofafval, niet recyclebaar - Papierslib - PCB houdende voorwerpen en stoffen -RDF - Schoenen/leerafval - Slakken van chemische afvalverwerking industrieel en communaal - Slib: reflotatieslib - Slib: rioolwaterzuiveringsslib - Stortplaatssaneringsafval - Strokartonresidu - Tapijtafval - Verfafval - Zeefoverloop GFT-compostering - Ziekenhuisafval - Zuurteer

Hanze

Mirec

++

++

13


2.2 Globale samenstelling van geselecteerde reststromen 2.2.1 Elektronicaschroot Elektronicaschroot en bruingoed bestaat uit een mengsel van kunststoffen, metalen en rubbers, uit huishoudelijke en professionele apparatuur varierend van tandenborstels tot T V ' s en De elektronica diffuus en doorgaans als onderdeel van grotere apparaten vrij. Deze worden ingezameld en, indien nog waardevolle onderdelen aanwezig zijn, hetgeen veelal gebeurt. Doordat verschillende apparaten worden ingezameld bij de als bedrijven, worden verschillende stromen onderscheiden (Tabel 2).

Tabel 2

Verschillende stromen elektronicaschroot

Afvalstroom

uit bruingoed

Typische producten in de afvalstroom

Handmatige demontage

Elektronica uit gedemonteerde industriele apparaten Elektronica uit TV's en monitoren

Voorafgaande

s, computermonitoren

Handmatige demontage (beeldbuis)

Bruingoed uit

Printers, kopieermachines

Geen

Huishoudelijk bruingoed

koffiezetapparaten, frietpannen, tandenborstels etc.

Geen

2.2.2 Tapijtafval Tapijtafval bestaat uit vele soorten tapijt en daarmee uit een groot aantal verschillende materialen. De belangrijkste materialen zijn nylon (bestaande uit gepolymeriseerd = een koolwaterstof), diverse kunststoffen en natuurlijke vezels als en katoen. Een onderverdeling naar soort vloerbedekking in Nederlandse woningen is weergegeven in Tabel 3. Tabel 3

Vloerbedekking

in Nederlandse

woningen (1993). Bron: Centrale bond voor

Woninginrichters Percentage in Nederlandse woningen

Soort vloerbedekking

Wol

.

Linoleum/marmoleum Katoen °' Touw/Riet parket,

14

hout, tegels, steen,

9

Reststromen

2.2.3

Kabelafval

Kabelafval wordt onderverdeeld in drie soorten materiaal, namelijk papier geisoleerde kabels, kunststof kabels en kabelmoffen. Een deel van dit materiaal wordt toegepast als grondkabel, een ander deel als bovengrondse elektriciteitskabel, of anderszins. Hoewel papieren als kunststof geisoleerde kabels in de grond worden gebruikt (waarbij kunststofkabel steeds meer, en papier geisoleerde steeds minder worden toegepast) wordt van oudsher met de term 'grondkabel' alleen de papier geisoleerde grondkabel aangeduid. Grondkabels bestaan uit een koper of aluminium geleider die ter isolatie met papier is Het papier is met substanties Om het papier bevindt zich een mantel, en een stalen bewapening die eventueel wordt door een mantel van kunststof of van vezels en bitumen. Deze kabels heten Gepantserde PapierLoodKabel ( G P L K ) . 75% van de grondkabels is van dit G P L K type. Kunststofkabels bestaan uit een koperen of aluminium geleider die met een of is geisoleerd en soms een stalen bewapening heeft. Soms wordt een van of aluminium toegepast als rubber of andere materialen. De onderlinge verhoudingen zijn grofweg (Bron: S C D [2], samenstelling van niet geheel representatief voor samenstelling Nederlands kabelafval):

Tabel 4

Gewichtsaandelen

van diverse materialen in kunststofkabels Aandeel (gewichts-%) 2 42 11 45

Materiaal Aluminium Koper Kunststof

De

gemiddelde

samenstelling van de kunststof- en rubberfractie van Nederlandse

kunststofkabel is:

Tabel 5

Gemiddelde samenstelling van de kunststof- en rubberfractie van Nederlandse kunststofkabel

Niet PVC (XL)PE rubber overig

fractie

PA, PUR)

(gewichts-%) TNO 60-70 10-20 10-20 5-10

[4] 80 15 in 'overig' 5

Kabelmoffen en ook kabellassen, tenslotte, bestaan uit dezelfde materialen als de kabels die met deze en lassen worden doorverbonden. bevatten een

ECN-C-98--023

15


extra mantel van

of kunststof of een behuizing van gietijzer of kunststof met soms

kunsthars of olie.

2.3 Beschikbaarheid en huidige verwerkingsroutes van geselecteerde reststromen 2.3.1 Elektronicaschroot Elektronicaschroot bestaat uit een aantal afzonderlijke beschikbare hoeveelheden staan

In Nederland

in Tabel 6 (getallen zijn globale

van [5]). De hoeveelheden ingezameld elektronicaschroot liggen in de orde van grootte vanenkele tientallen kilotonnen per jaar. De totale hoeveelheid elektronicaschroot

Nederland

is groter. De rest belandt in het huishoudelijk afval en bednjfsafval en wordt verbrand of gestort. Tabel 6

en in Nederland beschikbare hoeveelheden van elektronica [5]

Afvalstroom

.

Geschatte beschikbaarheid in Nederland Waardevolle ffactie (edelmetaal gehalte) • A bruingoed

2. Elektronica

en

3. Elektronica uit semi-professionele instellingen 4. Huishoudelijk bruingoed

6000-7000

Laag (< 50

1000-2000

Au

Laag (< 50 ppm Au input) sterk

stijgend (max. 20.000

(80-100 ppm Au input)

1.000-3.000 sterk afhankelijk van kwaliteit inzameling

Beneden vergoedings(< 10 ppm Au input)

•

Met name leveren een hoge vergoeding (Voor goud=Au in de orde-grootte van een gulden per gram). 1 ppm (gewichtsbasis) is gelijk aan 1,- per ton afval. 3 bevat

waardevolle metalen en wordt op dit moment via gespecialiseerde aan grootschalige smelters doorverkocht en daar De overige stromen bevatten een kleinere hoeveelheid waardevolle metalen, ze niet als elektronica, als tot kleine stukjes vershredderd apparaat vrijkomen. De huidige verwerkingsroute van deze stromen is verbranden en afnemende mate storten. De stromen zijn onderdeel van huishoudelijk afval en Tabel 2a in [6]). In de zullen deze stromen niet meer als onderdeel van huishoudelijk- en bedrijfsafval vrijkomen vanwege de op stapel staande voor wit- en bruingoed die is vastgelegd in het Besluit verwijdering en bruingoed [7]. Dit het zoeken naar een alternatieve verwerkingsroute zinvol.

16

Reststromen

2.3.2 Tapijtafval In Nederland komt jaarlijks zo'n 70.000 ton tapijtafval vrij. Dit is 5% van de 1.500.000 tot 1.600.000 ton tapijtafval die jaarlijks in Europa vrijkomt [8]. komt jaarlijks in Nederland nog zo'n 3.000 ton vrij van de 100.000 ton in Europa. Het gebruik van tapijt, en daarmee het ontstaan van tapijtafval, beperkt zich tot Noord Europa (Nederland, Belgie, Duitsland, Zwitserland en Oostenrijk). In Zuid Europese landen wordt veel minder tapijt gebruikt. Tapijt wordt op dit moment nog niet herverwerkt. E r zijn veel initiatieven (informatie van internet): • Een Europees onderzoeks-project R E C A M (Recycling of Carpet Materials) naar de herverwerking van tapijtafval is eind 1995 van start gegaan. zijn D S M , Enichem, de tapijtindustrie vertegenwoordigd door hun milieu-organisatie G u T , en het Duitse Tapijtonderzoeksinstituut D S M is projectcoordinator. Het project met heeft als doelstelling dat in het jaar 2000 tenminste 60% van een looptijd van 3 het tapijtafval in Belgie, Duitsland, Nederland, Oostenrijk en Zwitserland wordt herverwerkt. In de eerste fase wordt het tapijtafval gebruikt als brandstof (cement- en staalindustrie, verbrandingsinstallaties), in de tweede fase wordt een van de tapijtafval afgescheiden en herverwerkt tot grondstoffen als caprolactam, polyamide 6, polyamide 6.6, polypropyleen en wol. • Afzonderlijke bedrijven proberen met name nylon te herverwerken (tapijtafval bestaat grofweg voor 30% uit nylon): - AlliedSignal: herverwerken van nylon6-tapijtafval tot caprolactam monomeer; - B A S F : 6ix Again® programma waarin nylon tapijt wordt teruggenomen gerecycled tot nylon; - DuPont: programma "Partnership for Carpet Reclamation", waarin commerciele bedrijven hun oude tapijt kunnen terugsturen, Na sortering wordt nylon teruggewonnen in een fabriek (Chattanooga, V S ) ; - D S M en AlliedSignal hebben een joint venture gesloten en bouwen een commerciele recyclingsfabriek (Augusta, V S ) . De bouw wordt in 1998 gestart, de opstart is gepland voor midden De inschatting is dat via chemische recycling ongeveer 30% van het tapijtafval kan worden teruggewonnen. In Nederland blijft daardoor grofweg 50.000 ton tapijtafval over voor energieterugwinning. De huidige verwerkingsroute van tapijtafval is verbranden en storten als huishoudelijk afval en bedrijfsafval (zie [6]).

2.3.3 Kabelafval De hoeveelheid vrijkomend kabelafval is in Nederland nooit goed geregistreerd. In het verleden is een aantal schattingen gemaakt die in Tabel 7 staan weergegeven.

ECN-C--98--023

17

naar de verwerkbaarheid van drie reststromen middels pyrolyse

Tabel 7

Schattingen

van

hoeveelheden

kabelafval in ton/jaar

volgens

diverse bronnen VROM 11.250

Grondkabel / Papier gei'soleerd

SCD 8.000-12.000 35.000-50.000

Kunststof gei'soleerd

500- 1.000

Kabelmof 50.000-55.000

Totaal

Papier gei'soleerd kabelafval kan op dit moment nog moeilijk worden kunststof gei'soleerd kabelafval kan redelijk goed worden herverwerkt en kabelmoffen nog niet worden herverwerkt. shredderen en cryogeen shredderen, een goede wordt herverwerking wordt de fractie gewonnen, deze herverwerkmg rendabel. De kunststoffractie kan na shredderen met name de P V C (polyvinylchloride) zou kunnen worden Deze vindt echter nog niet plaats. Een van de redenen is dat PE niet voldoende uit de P V C kunnen worden Herverwerking vindt echter op dit moment nog plaats.

2.4

chemische samenstelling en ontledingsprofiel van geselecteerde reststromen

2.4.1

en voorbereiding

Door E C N zijn in met de Industrie zo representatief monsters genomen van de drie reststromen. Deze steekproeven werden als Elektronicaschroot en tapijtafval werd uit grote van enkele weken) met een op het oog samenstelling. Voor elektronicaschroot betrof het afzonderlijke monsters van de Tabel 6 stromen, voor tapijtafval betrof het een monster inclusief dat nog met apart wordt ingezameld. De monsters (ongeveer 20 kg) werden een shredder tot materiaal met een grootte van enkele centimeters. . Kabelafval werd in stukken van 10-20 cm aangevoerd, waarvan de fractie later cryogeen is monsters

voor

chemische

een shredder. analyses

de

werden verkregen door een deel van het reeds monster in een monster waren op

verder te verkleinen tot een poeder. aan deze

werd het

cryogeen gekoeld. De werden voor gebruik

middels schudden en Hoewel het verkrijgen van zo representatief mogelijke monsters is kunnen de monsters als gevolg van de grote inhomogeniteit van de bemonsterde reststromen van de en mogelijk niet volledig representatief zijn geweest. Voor de van deze studie is deze beperking echter niet van groot belang, de ten opzichte van samenstelling van de bemonsterde reststroom ongetwijfeld veel dan de variatie in de samenstelling van de reststromen. Dit is een gevolg van dezeltde

Reststromen

grote inhomogeniteit van de reststromen; de samenstelling zal in de tijd varieren als gevolg van een wisselend aanbod aan de vele mogelijke componenten in alle drie de geselecteerde reststromen. De hieronder vermelde gegevens betreffen voor elektronicaschroot een mix van gelijke hoeveelheden (op gewichtsbasis) van de in Tabel 6 vermelde vier stromen, en voor kabelafval gegevens van (de lichte fractie van de reststroom kabels). De mix van elektronicaschroot wordt in het vervolg aangeduid als elektronicaschroot (mengsel 1/1/1/1).

2.4.2 Chemische samenstelling Bovengenoemde monsters zijn geanalyseerd op: • de chemische samenstelling (proximate, ultimate en asanalyse); •

een

in een thermobalans.

karakteriseringen zijn noodzakelijk om een eerste afschatting van de pyrolyseverwerkingskarakteristieken van de reststromen te kunnen De chemische samenstelling is nodig om een grove afschatting te kunnen maken van de productverdeling na ontleding en van de samenstelling van de char (= plus as). Het ontledingsprofiel levert informatie over de voor pyrolyse benodigde temperaturen. Deze moeten, indien een commerciele verwerkingstechiek zal worden gekozen, lager zijn dan of gelijk zijn aan de die in deze techniek wordt toegepast. A l s dit niet het is dan zal de techniek pas voor verwerking van de reststroom geschikt zijn indien in het gunstige geval procescondities zijn aangepast of in het ongunstige geval de techniek is gemodificeerd. Bij de analyses worden de aanbevelingen en bevindingen gevolgd die in de werkgroep Karakterisering zijn gedaan. Proximate

en ultimate

analyses

De analyses zijn als uitgevoerd: • 'Proximate analyses' werden uitgevoerd door monsters van ongeveer 1 gram in kroesjes in een oven te verhitten. Het percentage vluchtig werd bepaald als het gewichtsverlies tot 9 0 0 ° C in stikstof, het gehalte aan fixed carbon werd bepaald door verbranding van de overgebleven kool in Het asgehalte werd met een ander monster bepaald door oxidatie bij Eerdere asbepaling bij leverden asgehaltes op die zo hoog waren dat het zuurstofgehalte in de ultimate analyses (restgehalte na aftrekken gehaltes C , H , N, S, Br, F en as) soms negatief waren. Dit wordt waarschijnlijk veroorzaakt doordat de as, die in de reststof in een oxidatietoestand voorkomt, bij hogere temperaturen oxideert zodat een te hoog asgehalte wordt gevonden. 'Ultimate analyses'

zijn uitgevoerd in een Carlo Erba multi-

element analyser. Asanalyses zijn uitgevoerd middels de monsters zijn gedurende 10 uur ontsloten in een verwarmde 0.5 M salpeterzuuroplossing. •

De relevante resultaten van de ultimate analyses staan vermeld in Tabel 8. In Bijlage 1 zijn middels datasheets van de complete resultaten van deze analyses opgenomen.

ECN-C--98-023

19


Tabel 8

Ultimate analyses van de drie reststromen op natte basis (in

Component C H N S F Br Asgehalte

Elektronicaschroot 38,9 4,0 7,5 1 A 01,01 0,8 0 0,7 46,4

Kabelafval 42,8 5,9 20,9 1 01 0 0,2 0 29,7

Tapijtafval

18,7

19,8

17,3

Calorische waarde (LHV, nat+as, in MJ/kg))

4,7 15,3 1,0 0,3 3,8 0 0 28,6

2.4.3 Ontledingsprofiel in een thermobalans E r zijn twee series bepaald met behulp ( T G A - ) analyses, namelijk een serie met als eindtemperatuur 9 0 0 ° C en een serie met als eindtemperatuur 600° C . De serie met als eindtemperatuur 900° C is. uitgevoerd om de te bepalen bij de drie geselecteerde reststromen volledig zijn uitgepyrolyseerd. De serie met als eindtemperatuur 600° C werd gemaakt de resultaten zo goed vergelijkbaar te zijn met in de continue gevoede pyrolyse-trommel (de 'Pyromaat'). In de serie met als eindtemperatuur 9 0 0 ° C gevonden dat er geen pyrolyse boven de meer plaats vond zodat de resultaten deze serie nauwelijks verschillen met de serie met als eindtemperatuur Daarom zijn in het onderstaande alleen de resultaten van de serie tot 600° C weergegeven. In Tabel 9 wordt weergegeven in welke het grootste (>90%) in het van de analyses werd gevonden. Dit massaverlies is een gevolg van pyrolyse, de reststromen in het eerste deel van de analyse in een zijn De lieten een ontleding in twee stappen zien. Na aanvullende experimenten werd geconcludeerd dat het gewichtsverlies bij 240320° C wordt veroorzaakt door gedeeltelijke ontleding van de P V C in de kabels, waarbij HC1 (waterstofchloride) vrijkomt. Het gewichtsverlies bij 4 2 0 - 5 0 0 ° C wordt veroorzaakt door ontleding van het restant aan P V C in met ontleding van de P E uit de kabels. Het waarin de ontleding plaatsvindt wordt bei'nvloed door de condities in de thermobalans. De onderstaande resultaten zijn verkregen met een van 10° C /min tot 6 0 0 ° C bij een van 15-30 Tabel 9

van het grootste massaverlies van de drie geselecteerde

Reststroom

in de

ontledingsprofielen

reststromen grootste massaverlies

Elektronica (mengsel 1/1/1/1) 240-320° C Tapijtafval

20

ECN-C-98-023

Reststromen

Na een isotherm van een half uur bij 6 0 0 ° C onder is toegevoerd om de gevormde kool uit de char te verbranden. Het restgewicht is de as. De in deze T G A analyses bepaalde gewichtsfracties van de drie reststromen staan weergegeven in Tabel De hoeveelheid vocht wordt bepaald uit het gewichtsverlies tot het eind van een korte aan het begin van het experiment. Dit vochtgehalte is lager (10 min) isotherm bij dan dat gevonden in de proximate analyse omdat het monster voor de TGA-analyses is verkleind waarbij een deel van het vocht kan zijn verdampt.

Tabel

Fracties vocht, vluchtig, kool en as van de drie geselecteerde )

Vocht Vluchtig (gas + teer) Char (kool + as) waarvan kool waarvan as

Elektronicaschroot (mengsel 1/1/1/1) 0,0 34,4 .65,6 4,6 61,0

Telecommunicatie0,0 61,9 38,1 9,7 28,4

reststromen

Tapijtafval 2,0 62,5 35,5 10,2 25,3

2.4.4 Verwerkbaarheid van reststromen met behulp van pyrolyse Aan de hand van de resultaten uit de Paragrafen 2.4.1 tot en met 2.4.3 kunnen de volgende conclusies worden getrokken met betrekking tot de verwerkbaarheid de drie reststromen met pyrolyse: • De calorische waarde van de drie reststromen is relatief hoog, waardoor ze relatief geschikt zijn om middels pyrolyse te worden verwerkt en minder geschikt zijn om in een huidige A V I te worden verbrand; • De drie geselecteerde reststromen kunnen bij temperaturen lager dan 600° C volledig worden gepyrolyseerd. Dit zijn temperaturen die overeenkomen met worden toegepast in commerciele pyrolyseprocessen (zie Hoofdstuk 3); •

•

De hoeveelheid as in de drie reststromen uiteen van 25% voor tapijtafval tot meer dan 61% voor elektronicaschroot. Deze relatief grote hoeveelheden zullen de configuratie van een commercieel proces De verhoudingen tussen vluchtig (gas+teer) en kool zijn relatief constant voor de drie reststromen: 6,1 voor tapijtafval, 6,4 voor telecommunicatiekabel en 7,5 voor elektronicaschroot.

Ook in een parallel aan deze studie uitgevoerde studie naar de verwerkbaarheid van reststromen in het Gibros-PEC proces zijn voor de huidige studie relevante conclusies getrokken met betrekking tot de verwerkbaarheid middels pyrolyse van de drie geselecteerde reststromen. Deze conclusies werden getrokken uit experimenten in een continu gevoede pyrolyse buisreactor (de 'Pyromaat'). De conclusies luiden: • De reststromen zijn goed pyrolyseerbaar, bij de gekozen procescondities blijft vervuiling van de proefinstallatie achterwege; • Koude in de bemonsteringsapparatuur leiden tot verstoppingen; • De pyrolyse-omstandigheden zijn zo mild, dat geen vervuiling optreedt door vervluchtiging van zouten, die de gasreiniging zouden kunnen bemoeilijken;

ECN-C--98--023

21


•

De gevormde char voor de drie reststromen is, onafhankelijk van de verblijftijd, droog en goed transporteerbaar (in het Duits: 'rieselfahig').

In het kader van deze studie is het interessant om een vergelijking te maken tussen de in resultaten behaald met de thermobalans en de resultaten uit de de pyrolyse schroefbuisreactor (de 'Pyromaat', een continue gevoede pyrolyseproefopstelling met een capaciteit van enkele kg'en materiaal per uur). Deze vergelijking wordt gemaakt in onderstaande Tabel op basis van de zoals beschreven in Bijlage 1 van De over de producten is niet 100% voor de resulateten uit de Pyromaat omdat een deel van de componenten stikstof- en zuurstofhoudende (koolwaterstof)verbindingen) niet is De afwijking is afhankelijk van de en in de reststromen en is relatief laag voor elektronicaschroot percentages N, (balans van ca. 98%) en is hoger voor en tapijtafval (balansen van ca. 84%). De gewichtsverliezen in de thermobalans zijn op deze balanstotalen om een snelle vergelijking te maken. Tenslotte moet worden opgemerkt dat in de thermobalans geen onderscheid gemaakt kan worden tussen gewichtsverlies als gevolg van gas en teer, zodat de som van gas+teer is weergegeven.

Tabel

Resultaten van pyrolyse-experimenten met de drie geselecteerde reststromen uit deze studie (thermobalans, zie 2.4.3) en uit referentie (continue pyrolyse bij in de Pyromaat)

Voeding

Elektronicaschroot

Meting uit

Pyromaat

bij verblijftijd

Gas

Teer

5 30

(gew% van voeding) 28 . 27

(gew% van voeding) 15 16 34

Thermobalans Kabelafval

Pyromaat

5 30

35 30

Tapijtafval

Pyromaat Thermobalans

5 30

39 41 54

54 55 64

11 - 17

38 38 32

13 10

33 33 31

52

Thermobalans

Char (=kool + as) + stof (gew% van voeding)

deze tabel kan worden opgemerkt dat: E r geen trend is waar te tussen de waarden voor gas+teer uit de thermobalans en gas+teer uit de Pyromaat; soms zijn de waarden uit de thermobalans hoger (kabelafval en tapijtafval), soms de waarden uit de Pyromaat (elektronicaschroot). Gezien de reproduceerbaarheid van de (een aantal metingen werd uitgevoerd in en van de Pyromaat experimenten (constante waarden voor gas+teer en voor char+stof bij de twee verblijftijden) kan dit niet worden toegeschreven aan een meetonnauwkeurigheid. •

•

Een verklaring voor het hogere chargehalte voor elektronicaschroot in de thermobalans ten opzichte van de Pyromaat is dat de van secundaire koolstof (dus uit gassen of teren) versneld kan worden door metalen in de as. Omdat het in de as van elektronicaschroot hoog is, zou dit de in het stilstaande volume in het cupje van de thermobalans kunnen verhogen. De

22

Reststromen

•

producten in de Pyromaat worden door de argonstroom redelijk afgevoerd en krijgen daardoor minder tijd om door te reageren. E e n veronderstelling bij aanvang van dit project was dat de pyrolyseerbaarheid in eerste instantie kan worden ingeschat met thermobalans-metingen. Gezien het feit dat de verschillen in geproduceerde hoeveelheid gas + teer en koolstof (= char - as) niet heel groot zijn, is deze veronderstelling redelijk. Zodra een nauwkeuriger bepaling van de technische of economische haalbaarheid wordt gewenst zijn de uitgebreider en duurdere metingen in de Pyromaat noodzakelijk, omdat daarmee de gassamenstelling wordt gemeten (waarmee ook een calorische waarde van het gas kan worden bepaald), elementbalansen kunnen worden gemaakt en analyses aan de teren en de char kunnen worden uitgevoerd.

De overall conclusie is dat de verwerkbaarheid middels pyrolyse van de drie geselecteerde reststromen goed is, waarbij een aantal goed oplosbare problemen is onderkend die in toekomstige (demo)-installaties als aandachtspunten dienen te worden meegenomen.

ECN-C--98-023

23

naar de verwerkbaarheid van drie reststromen middels pyrolyse.

ECN-C--98--023

3. BESCHIKBARE PYROLYSETECHNIEKEN Historie en achtergrond 3.1.1 Het Kiener De eerste grootschalige pyrolysetechniek werd aan het eind van de 70'er jaren ontwikkeld door de Duitser Kiener [12]. Kiener kwam op het idee om uit afval een brandbaar synthesegas te produceren en dat vervolgens in een gasmotor of een ketel te benutten. Hij richtte K P A op, het Kiener Pyrolyse-Gesellschaft fur thermische Abfallverwertung, een door M A N ontworpen met een vanaf 1982 en is in doorzet van 3 ton afval per uur werd gebouwd. Deze door Siemens overgenomen en heeft een aantal jaren in Goldshofe gedraaid

Pyrolyse als voorbewerkingsstap Pyrolyse alleen is geen complete thermische conversietechniek voor afval, omdat de producten pyrolysekool en pyrolyse-olie/teren niet geschikt zijn voor directe benutting van de Deze producten vereisen na eventuele opwerking een tweede conversiestap in de van vergassing of verbranding. Daarnaast zijn de in de pyrolyse-char doorgaans pas na immobilisatie bij hoge temperatuur geschikt voor hergebruik als bouwstof. In de diverse, tot commerciele schaal ontwikkelde thermische afvalverwerkingsprocessen op basis van pyrolyse, wordt daarom na de pyrolysestap een verbrandings-, vergassings- en/of een smeltstap toegepast. Pyrolyse kan in deze processen derhalve worden gezien als een voorbewerkingsstap van het afval, met als functies: Homogenisering van de voeding; 2. Bereiken van een zo hoog mogelijke kwaliteit van de vaste reststoffen met een zo hoog mogelijke marktwaarde; 3. Het maken van afscheiding van die minerale of metallische bestanddelen van het afval, die zonder afscheiding het energetisch rendement van de thermische verwerking zouden verlagen

Pyrolyse/vergassing van afval versus afvalverbranding In het algemeen kan worden gesteld dat een thermische op basis van pyrolyse/verbranden of pyrolyse/vergassen/eventueel verbranden een aantal voordelen heeft boven conventionele afvalverwerking in afvalverbrandingsinstallaties O f deze voordelen door een technologie daadwerkelijk worden bereikt, hangt af van een aantal keuzes in materiaal- en energiestromen binnen de technologie. De voordelen ten opzichte van zijn: • Hoogcalorische afvalstoffen kunnen probleemloos worden verwerkt; • De hoeveelheden productgas zijn kleiner waardoor de installatie kleiner kan zijn bij een gelijke verwerkingscapaciteit; •

ECN-C-98-023

De gasreiniging is mogelijk goedkoper en eenvoudiger doordat: - De te hoeveelheden gas kleiner zijn, zoals hierboven

25

Haalbaarheidsstudie naar de verwerkbaarheid van drie reststromen middels

-

Zwavel in stook- of pyrolysegassen geheel of als waardoor eenvoudiger is t.o.v. verbranding waar

-

E r geen dure nodig zijn, omdat door de afwezigheid of concentraties zuurstof (pyrolyse resp. vergassing) geen dioxinen en furanen gevormd worden, zeker als het hete gas na de of vergassing wordt gequenched (Thermoselect, Noell Konversionsverfahren); Metalen worden tijdens de afvalverwerking niet geoxideerd, blijven of als sulfiden of (in geval van chloriden voor. Dit heeft als voordelen dat:

•

-

Metaalterugwinning mogelijk is door

van metalen en

(PKA,

Thermoselect); -

Metallische verontreinigingen die in de

(een

worden

ingebonden, minder goed uitloogbaar zijn dan een slak die onder omstandigheden is ontstaan. Nadelen ten opzichte van zijn: Laag calorische ( L H V < 10 MJ/kg) kunnen in een aantal van de beschreven processen moeilijk of niet worden verwerkt; • E r zijn twee conversiestappen en dus twee reactoren nodig, hetgeen de investeringskosten verhoogt en de technologie

3.2 3.2.1 Gehanteerde criteria bij de selectie van processen Processen zijn geselecteerd op

De processen moeten in staat zijn heterogene afvalstoffen met een hoog gehalte aan metalen en/of stoffen te verwerken; •

•

twee criteria:

De processen moeten dat op korte

3.2.2

zijn

of de verwachting moet zijn dat

(1-5 jaar) zal gebeuren.

aannamen

Capaciteiten van installaties die zijn opgegeven in kg/uur of in ton/uur, zijn met een bedrijfstijd van 7000 uur per jaar

tot

Voor de massa- en energiebalansen zijn de systeemgrenzen voor de toepassing van het pyrolysegas (gasbenutting in de van een gasmotor, gasturbine of chemische verwerking van het pyrolysegas) gesteld teneinde de beschreven pyrolyseprocessen zo objectief mogelijk te kunnen vergelijken. Informatie over massa- en energiestromen van de technologie met het gebruik van gasmotoren was met voor alle processen beschikbaar. Bovendien is pyrolysegas (en niet warmte en elektnciteit een gasmotor) het eindproduct van deze pyrolyseprocessen omdat het, van de samenstelling, mogelijk op andere manieren kan worden ingezet zoals in de productie van methanol of als bijstookgas in elektriciteitscentrales.

26

Beschikbare pyrolysetechnieken

3.3 Overzicht van geselecteerde processen Aan het eerste in Paragraaf 3.2.1 gestelde criterium blijkt door vier processen te worden waarop de pyrolysereactor met de vergassingsof voldaan. De verbrandingsreactor is verschilt echter op de volgende manier - Achter de pyrolysereactor is een gaskraker toegevoegd om (Gibros gevormde teren te kraken, analoog aan de Kiener-pyrolysetechniek -

De pyrolysereactor is voor en voorbewerking van de voeding toegevoegd aan een bestaande vergassingsreactor of een verbrandingsoven Verfahren); - Pyrolyse en vergassing zijn als processen gelntegreerd in een reactor (Thermoselect); Het tweede in Paragraaf 3.2.1 gestelde criterium een aantal processen uit, die echter mogelijk op de iets langere termijn verder zouden kunnen worden ontwikkeld. Deze processen zijn: •

proces [15]; • •

Het Pyromelt proces Het proces van Pyrovac International

Enkele karakteristieke kenmerken en getallen van de geselecteerde processen zijn gegeven in de onderstaande Tabel 13. In de hierop volgende paragrafen worden deze processen in meer detail beschreven.

ECN-C-98--023

27


Tabel 12 Karakteristieke processtappen en kenmerkende procescondities geselecteerde processen Techniek Gibros PEC draaitrommel

Noell (Konversionsverfahren)

Siemens (SchwelBrenn)

Thermoselect

Kenmerkende procescondities Pyrolyse in bij en bij druk tot lichte onderdruk. Afscheiding van Fe/Non-Fe. Gaskraker bij 1200en een afzonderlijke pyrometallurgische smelter bij bij Voorbehandeling, pyrolyse, Pyrolyse in een Afscheiding van Verkleining van mechanische pyrolysekool tot < 0,5 mm. Vergassing met zuivere voorbewerking, hoge-drukzuurstof van -stof en -kool 'flugstroom'vergassing, bij 2-50 bar (afhankelijk van brandstof) en gasreiniging en gasbenutting materialen vloeien reactorwand naar een waterbad onderin de reactor. Pyrolyse in draaitrommeloven bij Zeven Pyrolyse, mechanische en opwerken van pyrolysekool, afscheiding voorbewerking, HTverbranding, stoomproductie Fe, verbranding van pyrolysegassen en -kool bij T = en verblijftijd van min.2 s. Gesmolten en -benutting, gasreiniging as vloeit langs reactorwand naar beneden en wordt in een waterbad gegranuleerd. Een deel van de rookgassen wordt gerecirculeerd (=pyrolyse) in buis bij oplopende T Voorbehandeling, pyrolyse, van 50-600° C . Ontgassingsproducten vallen direct vergassing in HT-reactor, in HT Reactor en worden bij (top) tot vaste stof afgifte, 2000° C met zuurstof vergast. gasreiniging en gasbenutting Verblijftijden zijn ca. 4 s. voor gassen en 5 min. voor vaste stoffen. Onderin reactor worden minerale verbindingen in een smelt en De van 1600°C wordt bereikt door toevoegen van zuurstof en extra brandbare gassen.

Processtappen Voorbehandeling, pyrolyse, gaskraker, smelter, gasreiniging en gasbenutting

3.4 Gibros PEC 3.4.1

Historie en licenties

In 1983 werd in een pyrolyse-testinstallatie gebouwd met een capaciteit van ongeveer 10.000 De installatie is in de 80'er jaren verder ontwikkeld en is in 1993 naar Freiburg verhuisd, waar er (onder andere) verpakkingsafval in is verwerkt om het aluminium terug te [19 20]. De eerste commerciele installatie wordt op dit moment (voorjaar gebouwd in het Zuid-Duitse Aalen voor de verwerking van de uit huishoudelijk afval. De capaciteit van deze installatie is 25.000 het pyrolysegas zal worden benut in een gasmotor [21]. De pyrolysetechnologie is ontwikkeld door P K A (Pyrolyse Kraftanlagen GmbH). Gibros PEC is van P K A en wereldwijd licentiehouder van de pyrolysetechnologie. Een andere partner van Gibros P E C is Metalgiesserei Velmede GmbH, die eigenaar en ontwikkelaar is van de smelt-technologie die een wezenlijk onderdeel van de Gibros pyrolyse-technologie. De gehele Gibros-

28

ECN-C--98-023


pyrolysetechnologie (pyrolyse, gasbehandeling en -benutting en

is

afgedekt met meer dan 40 patenten.

3.4.2 Procesbeschrijving Een processchema is gegeven in Figuur 1, technische gegevens per procesonderdeel zijn opgenomen in Bijlage 2a. Het is een van pyrolyse, gaskraken en een De pyrolyse vindt plaats in een draaitrommeloven die uitwendig wordt verhit met een deel van het in het proces geproduceerde pyrolysegas. De teerhoudende gassen worden vervolgens bij hoge temperatuur (1200-1300° C ) gekraakt in een gaskraker onder toevoeging van of zuurstof, naar gelang de beoogde toepassing van het geproduceerde stookgas. Vaste producten uit de worden ontdaan van ferro/non-ferro metalen. Daarna wordt een deel van de pyrolysekool gescheiden van de welke wordt gesmolten door de resterende koolfractie verbranden middels het doorleiden van zuurstof. E r ontstaat dan een laag gesmolten metalen onder een laag van gesmolten slak, zodat deze kunnen worden gescheiden. De minerale slak wordt gegranuleerd tot b.v. basalt-blokken door de smelt op dusdanige wijze af te koelen dat een kristallijne fase ontstaat. P K A beweert dat haar proces is; alle reststromen (in de van pyrolysegas of (bij W K K ) warmte en elektriciteit, pyrolysekool, metalen en minerale slakken) kunnen worden afgezet. Afvalstromen die in het proces ontstaan, zoals de met vluchtige metalen beladen actieve kool en sulphurex absorbens voor worden in het proces herverwerkt. Ook de worden opgewerkt, proceswater opnieuw in het proces wordt ingezet.

Gibros PEC Reststroom

1

Voorbehandeling

Toeslagstoffen

. Lucht of zuurstof

Gasreiniging

Gaskraker

Pyrolyse

Smelter

1

Pyrolysegas

Gasbenutting

Afvalwater -opwerking

FerrolNon Ferro

Metalen

Synthesegas

Proceswater

Residu metaalconcentraat

Minerale Slakken Figuur 1

Processchema van het Gibros PEC

PKA

pyrolyseproces

29


3.5 3.5.1

Historie

De basis voor de Noell Conversie-technologie ('Konversionsverfahren') het midden '70-er jaren ontwikkelde proces op basis van 'Flugstrom' (= 'Entrained flow' / stofwolk-) vergassing onder verhoogde druk. Dit proces is oorspronkelijk voor energieen zoutrijke brandstoffen (zoals bruin- en steenkool) ontwikkeld, kan, een voorgeschakelde pyrolysestap, ook voor huisvuil worden toegepast [22-24]. Eind jaren '70 is een 3 M W gebouwd, waarna in 1982-84 in Lausitz (nabij Cottbus, Duitsland) de 'Schwarze van 130 M W werd gebouwd waarin een en later een tweede onderdeel van Deze 'Schwarze werd van '84 tot '88 getest en is sinds '88 in productiebedrijf, de laatste jaren ook op grote schaal voor vele reststromen [25]. In 1991 werd gestart met de verdere van de voor afvalverwerking, die heeft geleid tot de voorgeschakelde pyrolysestap [26].

3.5.2 Procesbeschrijving Een processchema is gegeven in Figuur 2, technische procesgegevens zijn

in

Bijlage 2b. Het 'Noell-Konversionsverfahren' is gebaseerd op een 'Flugstrom'-reactor die vloeistoffen en kleine deeltjes bij hoge temperatuur en druk vergast. Dit vereist dat de brandstof uit kleine vaste-stof of vloeistofdeeltjes bestaat. Derhalve moeten de producten van de voorgeschakelde pyrolysestap worden gecondenseerd (gassen en teren en stof) of tot kleine brandstofdeeltjes worden (de pyrolysekool). De voorgeschakelde pyrolysestap is ontwikkeld om het proces geschikt te maken voor en moeilijk te vermalen afvalstoffen, en kan derhalve worden gezien als een voorbehandelingsstap. De 'Flugstrom'-reactor bestaat uit een stalen, verticale reactorbuis waarin een water gekoelde, binnenmantel is Op de binnenwand van deze binnenmantel bouwt zich een laag gestolde slakken op, waarlangs vloeibare slakken naar beneden stromen. Deze vloeibare slakken passeren een in de binnenmantel en vallen door een water gequenchde tweede in een waterbad. Een weergave van deze reactor is weergegeven in Bijlage 3a [24]. Het voordeel van dit reactorontwerp is dat de laag gestolde slakken de aantasting van de binnenmantel van de reactor door de agressieve gesmolten slak tegengaat. De levensduur van de reactor kan veel hoger (10 jaar of nog groter) zijn dan van andere reactortypen (soms maar een jaar).

3.5.3 Relevante achtergrondinformatie Een belangrijke parameter voor dit proces is de van de slakken, omdat de die langs de reactorwand vloeit, moet zijn en niet te mag stollen. Huishoudelijk afval levert doorgaans een terwijl zuiveringsslib, zeker als die met C a O is gestabiliseerd, een slak levert die pas bij hogere temperaturen smelt. Deze hoge smelttemperatuur kan worden verlaagd door toevoeging

30


van toeslagstoffen als

men streeft dan naar een

om de smelttemperatuur van de slak te

van

[24].

Een van de voordelen van drukvergassen ten opzichte van vergassen is dat de nageschakelde gasreiniging een betere warmte-benutting toelaat omdat de gassen voor de gaswasser niet tot lage temperatuur (30° C ) hoeven te worden gekoeld. hoge druk volstaat namelijk een temperatuur van voor de gaswasser. Hierdoor hoeven in de gasreiniging niet opnieuw te worden voor gassen verwijdering van C O S ( C O S wordt niet uitgewassen en moet katalytisch 150 C worden gehydrolyseerd tot en en eventueel voor de adsorptie van de laatste sporen verontreinigingen aan actieve kool.

Noell Gedroogd Reststroom

Zuurstof Aardgas

Stikstof

1

gassen

Voorbehandeling

Pyrolyse

Vergassing onder druk

Pyrolysechar

Gasreiniging Condensaat

in

Ferro

Non Ferro

J

Gasbenutting

opwerking

Afvalwater Zout Residuen

Processchema van het Noell Konversionsverfahren

3.6 Siemens

Synthesegas

Pyrolysekool

Mechanische voorbewerking

Figuur 2

Toeslagstoffen

proces

Verfahren

3.6.1 Historie De basis voor het Siemens Schwel-Brenn proces is het Kiener pyrolyseproces ( K P A ) , waarin Siemens rond 1984 een belang heeft genomen waarna is getracht het proces te vercommercialiseren. Om de lastige reiniging van het pyrolysegas te is gekozen voor de combinatie Het concept pyrolyse-verbranden is getest in een installatie in en vervolgens zijn grootschaliger testen met pyrolyse uitgevoerd in een installatie

ECN-C-98-023

31


Goldshofe. Op dit moment (eind 1997) worden een drietal commerciele gebouwd met capaciteiten tussen 100.000 en 150.000 ton

jaar,

eerste commerciele installatie in Furth is sinds 1997 uit twee verwerkingslijnen (bestaande uit waar twee

twee

en bestaat

en

van ieder 5 ton per uur

voorgeschakeld.

In de diverse testinstallaties van het proces is een groot aantal mogelijke getest. Het proces is

voor huishoudelijk afval en

afvalstromen

bedrijfsafval en grofvuil. Aan huishoudelijk afval kan zonder 30-35%

droge-stof basis) rioolwaterzuiveringsslib worden toegevoegd

[27]. In de

in

zijn testen met

wat kleine problemen na bleken deze testen erg succesvol, en de

Op was dan ook

het Schwel-Brenn proces goed kan worden ingezet voor de thermische van shredderafval [28].

3.6.2 Procesbeschrijving Het Schwel-Brenn proces is een van pyrolyse en verbranding. De wordt gebruikt voor homogenisering van de brandstof voor een deel van de minerale en fractie zeven. In de verbrandingsstap wordt energie opgewekt. Het proces is opgebouwd vanuit min of meer bekende technologie. in uitwendig verhitte draaitrommeloven, waar de conische schroef wordt ingebracht. De pyrolysekool wordt gezeefd, verder worden tot een poeder. De en de pyrolyse-poederkool wordt uitgevoerd

pyrolyse wordt de kleinste een

zoals veelvuldig toegepast in hete produktgassen wordt in geproduceerd elektriciteit wordt opgewekt. De reiniging van de rookgassen identiek aan de gasreiniging volgend op een

verticale een nagenoeg

Technische details van het Schwel-Brenn proces worden gegeven in Bijlage 2c, een processchema is Figuur 3 weergegeven.


Schwel-Brenn

1

Rookgas

Pyrolysegassen

T

Pyrolysechar

±


Ferro

Non Ferro

Gasreiniging

Verbranding

Pyrolyse

Voorbehandeling

Toeslagstoffen

Lucht

Gedroogd

Reststroom

T

Waswater

Pyrolysekool

J

Benutting Stoom

Electriciteit

Residuen Rookgas

steen, Figuur 3

Processchema

van het Siemens Schwel-Brenn

proces

3.7 Thermoselect 3.7.1 Historie startte in 1989 met een kleine De ontwikkeling van het testinstallatie (10 kg/uur). Vervolgens werd in 1990 en 1991 in verschillende testinstallaties (250-1000 en een (4200 = 30.000 de technologie verder ontwikkeld. Met name de brandstofinvoer in de pyrolysekanaal en het ontwerp van de werden In werd begonnen met de bouw van de Fondotoce-installatie, die in 1992 in gebruik werd genomen. Op deze installatie is een gasmotor getest (eind 1992-1993) [29]. Doordat deze is, wordt een deel van de gassen afgefakkeld [29,30]. Eind 1993 is een grotere gasmotor [30]. Met de installatie in Fondotoce is ervaring opgedaan voor een commerciele installatie van ongeveer 150.000 die sinds 1994 ook daadwerkelijk kan worden aangeboden [29,31]. Op dit moment (begin 1998) wordt in Karlsruhe een commerciele installatie gebouwd met een capaciteit van 225.000 ton per jaar [32].

MJ/kg.

ECN-C-98--023

capaciteiten gelden voor een stookwaarde van het afval van 10-12 hogere stookwaarden de capaciteit van de installaties terug.

33


3.7.2 Procesbeschrijving Een processchema is gegeven in Figuur 4, een technische procesonderdelen is

van de

in Bijlage 2d.

Afval wordt vanuit een bunker verdicht en via een conische schroef onder verdere verdichting en van lucht in een ontgassingskanaal geleid, waar de afval voor droging, verdere en pyrolyse. In het geleidelijk wordt ontgassingskanaal ontstaan dichte proppen van afval, met als voordeel dat inhomogeniteit van de brandstof of van pyrolyseproces (met drukfluktuaties tot gevolg) worden De pyrolyse- en vergassingsreactor bestaat uit een stuk (zie ook Bijlage 3b [33]): vanuit het ontgassingskanaal de afval in de vergassingsreactor, die onderin in de De hoge temperatuur van de smelt is nodig om alle chemische af te laten Van daaruit wordt de smelt snel afgekoeld in de vaste-stof-afgifte om de scheiding tussen metalen en minerale stoffen in stand te houden. De stollen namelijk sneller dan de minerale stoffen. Met een worden de metalen vervolgens afgescheiden [29,34]. Ook de pyrolysegassen worden via een waterquench snel afgekoeld, waarbij koolstof ontstaat (via de Boudouard-reactie) dat als voor verontreinigingen dient. De gassen worden vervolgens gereinigd ze kunnen worden gebruikt voor elektriciteits- en in een gasmotor of als synthesegas voor de productie van methanol koolwaterstoffen. Het is onbekend welke afvalstromen tot dusver met het verwerkt.

Omdat het Thermoselect-proces

zijn

in artikelen door eigen

veelvuldig als altematief voor afvalverbranding wordt opgevoerd, is het

dat

de Fondotoce-installatie in Italie voomamelijk op huishoudelijk en/of bedrijfsafval gedraaid. Verder wordt bedrijfsafval, grofvuil en zuiveringsslib voeding [33]. Kwikrijke afvalstromen enkele procenten, zie Figuur 2 in

als

mogelijk een probleem omdat een deel (tot van de kwik in het synthesegas terecht komt.

Ten opzichte van het standaardproces (zoals in de

in Fondotoce) zijn in

de commerciele installatie, zoals die nu in Karlsruhe wordt gebouwd, de volgende wijzigingen/toevoegingen aangebracht: • De installatie wordt opgebouwd in lijnen van 750.000 elk, die de smeltoven en voor de ontzwaveling Karlsruhe heeft drie lijnen, waar twee gaswassers en drie aktief-koolfilters na zijn geschakeld; • De voedingsbunker wordt gespoeld met stikstof.

Relevante achtergrondinformatie In het Thermoselect proces worden de gassen snel gekoeld ('gequenched') om de van organische ('De-Novo-Synthese'), waaronder dioxinen en dibenzofuranen, uit te sluiten. Vergelijkingen van met berekeningen aan thermodynamische evenwichten [35] laten zien dat dit concept in de praktijk werkt; zo zijn gemeten concentraties aan CH4 en dioxine erg laag (0,002 i.v.t. 0.1 als emissienorm) en grofweg met de In de diverse beschrijvingen van het Thermoselect proces

34


wordt erg veel nadruk gelegd op de lage P C D D en PCDF-uitstoot van het proces. Zo wordt aangevoerd dat per kg afval grofweg een factor 500 minder dioxine wordt en dat de hoeveelheid uitgestoten uitgestoten dan in afval aanwezig is kg afval grofweg 800 maal lager is dan in een Duitse vuilverbrandingsmstallatie [34]. De kwaliteit van het synthesegas komt overeen met kwaliteit van aardgas [34,35].

Thermoselect Zuurstof

Gasreiniging

Vergassing

Pyrolyse

Toeslagstoffen

Aardgas

Beladen actieve kool •

Proceswater A

1

Gasbenutting

Afvalwater opwerking

Vaste stof Afgifte

Metalen •

Synthesegas

Zouten

Water Residuen

Minerale slak • Figuur 4

Processchema van het Thermoselect

proces

35


3.8 Discussie Het staat bij voorbaat niet vast dat een van de verwerkingsprocessen volledig identiek aan de hierboven beschreven configuratie zal worden toegepast voor de verwerking van de drie in deze studie geselecteerde reststromen. De reden hiervoor is, dat met de in dit hoofdstuk beschreven processen afvalstromen worden verwerkt ( R D F , huishoudelijk en industrieel afval, slib) die weinig waardevolle componenten bevatten. Hierbij wordt de vaste reststof bij voorkeur in een als bouwstof toepasbaar granulaat of basalt Indien de reststoffen echter waardevolle metalen bevatten, zoals kabelafval (koper en lood) en elektronicaschroot (koper en goud), dan is het wellicht economisch meer aantrekkelijk om deze in het proces als fractie af te scheiden en deze fractie dan aan een grootschalige, commerciele smelter te verkopen voor verdere opwerking. Afscheiding van de metallische fractie is met Gibros P E C en Thermoselect mogelijk. E e n andere mogelijkheid zou zijn om de gevormde pyrolysechar aan een commerciele smelter te verkopen. Dit is mogelijk voor de processen Noell Flugstrom, Gibros P E C en Siemens Schwel-Brenn. Bij deze laatste mogelijkheid moet dan nog aandacht worden besteed aan de fysieke verwerkbaarheid van de gevormde char. Mogelijk moet deze namelijk eerst worden gepelletiseerd om verwerking door een commerciele smelter mogelijk te maken.

36

4. VERWERKINGSKARAKTERISTIEKEN 4.1 Methodiek Berekening energiebalansen PLUS

Voor Noell Flugstrom en Thermoselect zijn energiebalansen berekend met Aspen op basis van de flowsheets uit de Figuren 2 en 4. Omdat geen nauwkeurige gegevens van de hoeveelheden zuurstof en extra brandstof (aardgas of diesel) konden worden ingeschat voor verwerking van de drie geselecteerde reststromen, is eerst een referentie-case berekend. Deze case betreft de verwerking van huisvuil met een fictieve, gestandaardiseerde samenstelling die is voor Duitsland. Dit huisvuil heeft een calorische waarde van 10 MJ/kg. V a n deze referentiecase zijn nauwkeurige getallen bekend uit een studie die in opdracht van het N R W in Essen is verricht door Z E U S GmbH [36,37]. In deze studie is de energiehuishouding vergeleken tussen Noell Konversionsverfahren, Siemens SchwelBrenn en Thermoselect en een standaard afvalverbrandingsinstallatie. De gebruikte gegevens zijn

in Bijlage 4, de

is in meer detail

beschreven in Bijlage 5. Resultaten staan weergegeven in de Paragrafen 4.2.1 (Noell) en 4.2.2 (Thermoselect). Voor Schwel-Brenn is uiteindelijk van een berekening van energiebalansen, omdat uit met de leverancier van de Schwel-Brenn technologie dat, na in bedrijf stelling van de f commerciele installatie in Furth, een aantal noodzakelijk zijn [38]. De leverancier om deze reden geen aanvullende informatie verstrekken. Als gevolg van de modificaties zullen de in de literatuur gevonden referentiegegevens niet meer gelden voor de technologie waarin modificaties zijn aangebracht. Voor Gibros-PEC konden geen rendementen op basis van de eigen rekenmethodiek worden berekend omdat een aantal getallen voor de referentiecase (intern elektriciteitsverbruik, zuurstofverbruik, verbruik gas of diesel, eigen stookgasverbruik in pyrolyse) niet in de openbare literatuur voorhanden is. Bovendien kunnen resultaten van de referentiecase niet met literatuurwaarden worden vergeleken, zoals het geval voor Noell en Thermoselect. Daarom zijn gegevens ontleent aan een ontwerpstudie door Gibros Deze gegevens zijn opgesteld voor de mix van de drie geselecteerde reststromen (elektronicaschroot : kabelafval : tapijtafval = 1:1:2) en een capaciteit van 60.000 Uit deze gegevens konden op basis van dezelfde uitgangspunten (rendement gasmotor van 34%, in rekening brengen van energiebehoefte voor productie van zuurstof) rendementen worden berekend die zich laten vergelijken met de rendementen uit de rekenmethodiek voor Noell en Thermoselect. Resultaten staan weergegeven in Paragraaf 0.

4.1.2 Schatting van investerings- en verwerkingskosten De investerings- en verwerkingskosten zijn geschat door de leveranciers van de vier geselecteerde processen aan de hand van: • De van de reststromen zoals gegeven in 1; • Een capaciteit van 60.000 ton per jaar op een mix van de drie reststromen in een verhouding van 1:1:2 (elektronicaschroot : kabelafval : tapijtafval). Als deze

ECN-C--98-023

37


•

capaciteit kleiner is dan de minimum capaciteit van het proces, dan minimum capaciteit gekozen; De is jaar bij een rente van 7%, de vergoedmg voor net terug geleverde elektriciteit is 8 cent per kWh. Resultaten staan weergegeven in Paragraaf 4.3.

4.2 Energiebalansen en thermische rendementen Aan de hand van de onder 4.1.1 en in Bijlage 5 beschreven rekenmethodiek zijn de energetische rendementen berekend voor de vier geselecteerde processen. Het netto elektrisch rendement is als het quotient van de het eigen elektrisch verbruik en de energie-inhoud van de ingaande stromen (afval en extra brandstof). "Stookgas bruto" is de berekende energie-inhoud van het stookgas na de gasreiniging, "stookgas netto" is de hoeveelheid te benutten stookgas en aan "stookgas bruto" stookgas voor pyrolyse (zie bijlage 4);

4.2.1 Noell Konversionsverfahren Tabel 13

Reststroom

Energiebalansen (op basis van 1000 kg droge reststroom) en netto rendementen bij gebruik van een gasmotor met een rendement van 34% en intern e-verbruik overig van 155 kWh. Waarden op basis van LHV. Totaal in Afval Gas (kWh) (kWh) (kWh)

Stookgas bruto (kWh)

Verbruik pyrolyse (kWh)

Stookgas netto (kWh)

Bruto

e-behoefte

(kWh)

(kWh)

1886

366

1520

517

55,6

306

1214

990

18,7%

1231 1018

22,1% 19,6%

1064

20,0%

Huisvuil

2777

70

2847

Elektronica

5224

70

5294

3787

247

3570

312

4244

Kabelafval

5503

70

5573

4556

Tapijtafval

5117

70

5187

3952

333

3619

1231

56,7 57,4

5240

70

5310

4062

306

3763

1279

60,1

Mix 1:1:2

38

Netto Rendee-produktie ment (kWh) elektr. 10,8%

Verwerkingskarakteristieken

4.2.2 Thermoselect Tabel

Energiebalansen (op basis van 1000 kg droge reststroom) en netto elektrisch rendementen bij gebruik van een gasmotor met een rendement van 34% en bij een intern e-verbruik overig van 76 kWh. Waarden op basis

Reststroom

Totaal in Afval Gas (kWh) (kWh) (kWh)

Huisvuil

2777

322


pyrolyse (kWh)

2067

408

3099

RendeNetto e-behoefte Bruto Stookgas e-produktie 02-prod. e-produktie ment netto elektr. (kWh) (kWh) (kWh) (kWh) 1659

564

429

13,8% 20,2%

Elektronica

5224

618

5842

4166

277

3889

1322

Kabelafval

5503

385

5888

4768

351

4417

1502

Tapijtafval

5117

368

5485

4142

374

3768

1281

20,8%

435

5675

4305

344

3961

1347

21,3%

Mix 1:1:2

5240

62,2

1364

23,2%

4.2.3 Gibros P E C / P K A Tabel

Energiebalansen

(op basis van 1000 kg droge reststroom) en netto elektrisch

rendementen bij gebruik

van een gasmotor met een rendement van 34%.

Waarden op basis van LHV.

Reststroom

Mix

Totaal in Afval Gas (kWh) (kWh) (kWh) 5240

293

5533


Verbruik pyrolyse (kWh)

Stookgas netto (kWh)

n.b.2

n.b.3

4150

RendeNetto e-behoefte Bruto e-produktie intern e-produktie ment (kWh) (kWh) (kWh) elektr. 1411

227

21,4%

n.b. = niet bekend, maar voor verbruik pyrolyse is gecorrigeerd in de berekende energieinhoud van het netto stookgas.

4.2.4 Vergelijking tussen Noell, Thermoselect en Gibros De energetische rendementen voor de drie processen worden in onderstaande Tabel vergeleken voor de voeding (1:1:2, elektronicaschroot : kabelafval : tapijtafval). De getallen voor Noell en Thermoselect zijn berekend uit Tabel en Tabel 14 op basis van gewogen gemiddelden. In de laatste kolom is een elektrisch rendement berekend bij een efficientie van 50%. Deze 50% is een inschatting van de efficientie die kan worden behaald indien naast een gasmotor (of in geval van bijstoken eventueel een gasturbine) ook de wordt aangewend voor elektriciteitsopwekking, bijvoorbeeld middels een of middels een 'Organic Ranking Cycle'.

ECN-C--98--023

39


Tabel 16

Vergelijk van energiebalansen Noell Konversionsverfahren,

voor de mix van reststromen (1:1:2) tussen

Thermoselect verfahren en

proces.

Waarden op basis van LHV. Stookgas netto (kWh)

e-behoefte intern (kWh)

Elektrisch rendement bij efficientie van 34% 50%

Proces

Afval in (kWh)

Gas/Diesel in (kWh)

Noell

5240

70

3763

459

215

20,0%

5240

435

3961

488

140

21,3%

32,4%

Thermoselect Gibros

5240

293

4150

555

227

21,4%

33,4%

consumptie kg/ton

Dit resultaat verandert als wordt meegerekend dat de aan het proces toegevoegde additionele brandstof met een veel hoger rendement elders had kunnen worden ingezet. Als voor de eenvoud wordt aangenomen dat het elektrisch rendement diesel kan worden gelijkgesteld aan dat uit aardgas en dit rendement 55% is ( S T E G ) , dan levert resultaten op zoals in Tabel 17 weergegeven.

Tabel 17

Vergelijk van energiebalansen voor de mix van reststromen (1:1:2) tussen Noell Konversionsverfahren, Thermoselect verfahren en Gibros-PEC na correctie voor de inzet van secundaire brandstof die elders met elektrisch rendement van 55% had kunnen worden ingezet. Waarden op basis van LHV. Elektrisch rendement bij efficientie van 34% 50%

kg/ton

e-behoefte intern (kWh)

3763

459

215

19,6%

31,1%

435

3961

488

140

18,4%

30,5%

293

4150

555

227

19,5%

32,2%

Afval in (kWh)

Gas/Diesel in (kWh)

Noell

5240

70

Thermoselect

5240

Gibros

5240

Proces

stookgas netto (kWh)

4.3 Verwerkingskosten In Tabel 18 zijn weergegeven de door de leveranciers genoemde investeringskosten en verwerkingskosten voor een installatie op een mix van elektronicaschroot, kabelafval en tapijtafval in een verhouding Randvoorwaarden staan Paragraaf

ECN-C-98-023 40


Tabel 18

Door

investerings- en

leveranciers

van de vier geselecteerde

processen

opgegeven

verwerkingskosten

Grootte installatie Product

Investeringskosten Verwerkingskosten per ton reststroom

Gibros PEC [11]

Noell [39]

60.000

100.000

[38]

Thermoselect [40]

elektriciteit

elektriciteit uit kleine stoomturbine, stook-gas 230 MDM

90 82,-

DM 4202

Investeringskosten inclusief 'Gas- und Waarde voor verwerking van huisvuil die moeilijk met verwerking van geselecteerde reststromen kan worden vergeleken. Niet bekend; Siemens heeft geen verwerkingskosten willen opgeven vanwege problemen met haar eerste commerciele installatie in Fiirth. Niet bekend; Thermoselect heeft nog geen gegevens aangeleverd. Noell reageerde, na telefonische opgave van de in Tabel genoemde data, nogmaals schriftelijk. In een brief waarin werd gerefereerd naar 'drie reststromen' [41] werd aangegeven dat de verwerking van elektronicaschroot bij een capaciteit van 60.000: ton per jaar niet winstgevend is met Noell Konversionsverfahren, en dat de thermische verwerking met alleen pyrolyse (dus zonder meer zou zijn. bevestigt Noell het geschetst in paragraaf 3.8, dat een verwerkingsproces dat afwijkt van de geselecteerde processen mogelijk economisch aantrekkelijker In het projectteam werd mede daarom binnen de huidige eerste projectfase vooralsnog geen grote waarde gehecht voorlopige kostenschattingen van de geselecteerde technologieen. Pas in een latere projectfase, als eventueel een keuze voor een technologie zal worden gemaakt, worden kostenschattingen van belang geacht. Om die reden is niet gepoogd gedetailleerder gegevens van de leveranciers te verkrijgen.

ECN-C--98-023

41


4.4 Discussie 4.4.1 Energiebalansen De vergelijking tussen de processen is gemaakt op basis van een gasmotor met een van deze vergelijking zouden kunnen verschillen als rendement van 34%. een hoger rendement of een andere toepassing voor het gas wordt gekozen, zoals: •

Een gasmotor met een nageschakelde • .

E e n W K K installatie; Levering van het stookgas als energiedrager, bijvoorbeeld voor

een

elektriciteitscentrale of als chemische grondstof. De resultaten in Tabel 16 laten zien dat een vergelijk op basis van een ander W K K rendement nagenoeg dezelfde onderlinge resultaten levert. Uit de resultaten

Tabel 17

kan bovendien worden geconcludeerd dat ook een correctie voor het gebruik van een additionele brandstof, dat elders met een hogere efficientie voor had kunnen worden ingezet, de resultaten niet veel Met behulp van de in Paragraaf 4.2 getabelleerde gegevens kunnen vergelijkingen worden gemaakt op basis

een ander elektrisch of

rendement. Met betrekking tot energiebalansen voor de drie geselecteerde referentiecase huishoudelijk afval

(4.2.1 en 4.2.2)

reststromen en de

de volgende conclusies

worden getrokken: • De berekende rendementen voor de referentiecase huishoudelijk afval wijken enigszins af van de door Berghoff [36] berekende rendementen (Noell: [36] versus 10,8% in deze studie; Thermoselect: 12,2% in [36] versus 13,8% deze studie). De conclusie is daarom dat de berekende rendementen niet nauwkeunger dan tot op enkele procentpunten. De afwijking voor Thermoselect moet worden gezocht in het niet nauwkeurig kunnen afschatten van in de vergasser en smelter. Dat ook voor Noell, maar voor Noell geldt bovendien dat ook stoom uit de nodig om de wanden te koelen waarlangs de slak afvloeit, wordt benut voor energie-opwekking. Het waarschijnlijk om die reden dat Berghoff een erg hoog vindt voor de energieinhoud van het stookgas netto ten opzichte van de totale input aan (85%). Bovendien verklaart dit gegeven mogelijk dat Berghoff een lager elektrisch rendement voor Noell dan voor Thermoselect, omdat bij Noell een gedeelte van de energieinhoud van het stookgas netto via een stoomcyclus in elektriciteit wordt • Een indicatie dat de balansen in redelijke mate met de werkelijke situatie, is dat de van het stookgas in de referentiecase huisvuil redelijk goed blijken overeen te met gerapporteerde samenstellingen. In de onderstaande tabel is dit voor de Fondotoce installatie op huisvuil. De hogere in de Fondotoce installatie is waarschijnlijk een gevolg van het gebruik van kleine hoeveelheden lucht, zoals in onderstaande Tabel 19 weergegeven.

42


o

Samenstelling van stookgas zoals berekend in deze studie, en zoals gemeten in de Thermoselect installatie in Fondotoce

Samenstelling Energiebalans deze studie Fondotoce (gemiddelde vier metingen)

•

•

36,5

to

Tabel

35,6

24,4

0,3

«0,1

34,2

24,4

3,2

<0,1

De rendementen voor de drie geselecteerde reststromen zijn hoger dan die voor de referentiecase als gevolg van de veel hogere calorische inhoud van de drie reststromen. Hierdoor gaat een relatief kleinere fractie energie verloren in het bereiken en vervolgens quenchen van de hoge temperaturen en aan eigen elektriciteitsverbruik. Rendementen voor de reststromen uiteen van 19-23%, terwijl voor de huishoudelijk afval rendementen van zijn gevonden. In theorie zijn met een gasmotor plus nageschakelde stoomcyclus hoge elektrische rendementen van 30-32% te behalen in de drie doorgerekende processen. In hoeverre deze rendementen in de praktijk zullen worden verwezenlijkt, hangt af van keuzes die door de leveranciers worden gemaakt. Noell rekent voor de verwerking van huisvuil met een gas- en [39] en gaat er dus van uit dat de gaskwaliteit zo hoog kan zijn dat de gasturbine kan functioneren. Thermoselect gebruikt op dit moment alleen een gasmotor met een rendement van circa 30% [30].

Uit de vergelijking tussen Noell, Thermoselect en Gibros (Tabel kan worden geconcludeerd dat de rendementen van de drie berekende processen elkaar erg weinig ontlopen. E r worden kleine verschillen gevonden in rendement (Thermoselect: 71,7%, Noell 73,1% en Gibros 75,0%) die een gevolg zijn van de van vergassing en smelten en van het al dan niet toepassen van een gasquench. De verschillen in intern elektriciteitsverbruik zijn ook klein en omgekeerd (voor Thermoselect relatief laag omdat geen transport van eventuele bewerking "van pyrolysekool noodzakelijk is en de smelter is gelntegreerd), zodat de overall rendementen erg dicht bij elkaar liggen.

De conclusie is dan ook dat op basis van rendementen geen groot onderscheid kan worden gemaakt tussen de drie pyrolyseprocessen voor de verwerking van de drie geselecteerde reststromen. E e n technologiekeuze zou daarom gebaseerd moeten zijn hoogte van de benodigde investeringskosten en de kosten of baten die de reststoffen met zich Een objectief vergelijk is echter vooralsnog niet mogelijk omdat de getallen van Gibros zich niet goed laten vergelijken met die van Noell (Gibros leverde getallen gebaseerd op stookgaslevering, Noell berekende investeringskosten inclusief een gasmotor en stoomcyclus) en omdat Thermoselect nog geen getallen heeft aangeleverd. Daarom wordt nog geen uitspraak gedaan over de wenselijke technologie voor de verwerking van de drie geselecteerde reststromen.

4.4.2 Kanttekeningen bij de resultaten In dit hoofdstuk zijn energetische rendementen en verwerkingskosten (voor zover gegevens zijn aangeleverd) berekend voor de beschreven verwerkingsprocessen (Hoofdstuk 3) en de geselecteerde en beschreven reststromen (Hoofdstuk 2). De resultaten uit dit hoofdstuk kunnen worden gebruikt om de processen onderling te vergelijken. Echter, vanwege mogelijke aan de verwerkingsprocessen (zie

ECN-C--98-023

43


verder paragraaf 3.8) zijn de in dit hoofdstuk berekende rendementen en zeker de verwerkingskosten reststromen Om dezelfde reden blijft in dit hoofdstuk de vraag onbeantwoord hoeverre de verwerking van tapijtafval tot een meerwaarde leidt in een aangepast waarin de metallische fractie (mogelijk met tapijt) of de gehele char bij voorkeur zonder tapijt) wordt afgezet aan een commerciele smelter. Het goed mogelijk dat de afzonderlijke verwerking van kabelafval en en anderzijds een economische aantrekkelijkere optie ,s. zou, indien het niet lukt een installatie batch-gewijs te bedrijven, de schaalgrootte van de (of dan mogelijk installaties) kunnen doen verkleinen tot ca. 30.000 ton per

ECN-C-98--023 44

5. EVALUATIE RESULTATEN In dit hoofdstuk zullen de behaalde resultaten worden getoetst aan de in de projectbeschrijving gestelde randvoorwaarden. In de projectbeschrijving werd gesteld dat implementatie van pyrolyse voor de verwerking van specifieke reststromen zal worden nagestreefd indien aan deze randvoorwaarden wordt voldaan. Zes van de zeven randvoorwaarden worden in de onderstaande paragrafen getoetst. De laatste randvoorwaarde (een zo groot mogelijk Nederlands aandeel in de te implementeren technologie) kan pas later in een mogelijk vervolgproject worden getoetst als een te implementeren technologie is gekozen.

5.1 Selectie betreft moeilijk of niet verwerkbare reststromen De eerste randvoorwaarde luidde dat reststromen worden verwerkt die momenteel niet of moeilijk door de huidige thermische verwerkingsinstallaties kunnen worden verwerkt. In Paragraaf 2.3 is gesteld dat: • Elektronicaschroot op dit moment slechts voor een klein deel wordt herverwerkt; •

Tapijtafval op dit moment wordt verbrand, hoewel de aangeven dat ze tapijtafval als een beschouwen vanwege de hoge calorische waarde. Naar andere herverwerkingsopties wordt gezocht, met name naar chemische recycling. Daartoe wordt het tapijtafval afzonderlijk ingezameld, zodat de stroom die niet kan worden gerecyceld (zo'n 70% van de totale reststroom) beschikbaar komt voor andere herverwerkingsroutes; • Kabelafval nog niet wordt herverwerkt en veelal niet wordt uitgegraven zodat zich een groeiende, onzichtbare hoeveelheid reststroom opbouwt. Aan de eerste randvoorwaarde wordt derhalve voldaan.

5.2 Te implementeren installatie moet voldoen aan vigerende emissienorm De tweede randvoorwaarde luidde dat de te implementeren installatie moet voldoen aan de vigerende emissienorm. Hoewel nog geen technologiekeuze is gemaakt voor de te implementeren installatie, kunnen voorlopige conclusies worden getrokken over de potentiele technologieen die in aanmerking voor de te implementeren installatie.

Emissies naar de lucht worden

door de leveranciers van die technologieen niet als een hinderpaal gezien bij het realiseren van installaties. Emissienormen kunnen worden gehaald door de juiste keuze of aanpassing van (onderdelen van) de gasreiniging. Leveranciers stellen dat de Duitse 17. kan worden gehaald, evenals de Nederlandse B L A . Onafhankelijke vergelijkende studies door B T G / K E M A [30] en K E M A [42] bevestigen dit dat met standaard rook- of stookgasreiniging zoals in alle vier geselecteerde processen toegepast (ontstoffen, gaswassen, COS-verwijdering, ontzwavelen en een actief kool filter) de in de B L A genoemde grenswaarden zonder veel problemen kunnen worden gehaald. Mogelijke

ECN-C--98--023

emissies naar de

worden in de volgende

besproken.

45


5.3 Reststoffen zijn toepasbaar De derde randvoorwaarde luidde dat de uit het verwerkingsproces toepasbaar moeten zijn indien van toepassing). Het betreft dan de kwaliteit van de minerale fractie van de reststoffen waann een of metallische fractie is gebonden. Ingeschat wordt namelijk dat twee van de vier geselecteerde processen (Thermoselect en Gibros) als reststof kan worden afgescheiden, probleemloos kan worden afgezet de Industrie. Tevens zou de pyrolysechar mogelijk direct, dus voor afscheiding van metalen van de kool en minerale fractie, aan een grootschalige, worden Dit wordt in meer detail paragraaf 3.8. In laatste geval is de kwaliteit van de reststoffen geen punt van aandacht meer voor het te proces. Daar waar het te kiezen verwerkingsproces een minerale reststof oplevert, zal bij voorkeur worden opgewerkt tot een afzetbare bouwstof. De rest van handelt over de kwaliteit van deze gegranuleerde of reststof of basalt). van respectievelijk

de

In de beschikbare literatuur stellen de vier leveranciers van de geselecteerde processen dat de kwaliteit van de reststoffen geen bedreiging voor de bouw van commerciele installaties voor de verwerking van reststromen. De betreft de vliegas (Schwel-Brenn) heeft een lage kwaliteit en kan niet als bouwstof worden toegepast. Als voeren aan dat de kwaliteit van de smeltgranulaten afhankelijk is van de temperaturen waarbij deze ontstaan en van de hoeveelheid en samenstelling van toeslagstoffen (flux) om de smelttemperatuur en de viscositeit te verlagen. Daarmee kan de kwaliteit van de smeltgranulaten en gewaarborgd, zodat een toepassing voor de reststof kan worden gevonden en deze hoeft te worden gestort. Mogelijk is de praktijk minder eenvoudig, vanwege de volgende twee 1 De mate waarin de kwaliteit van de reststoffen kan worden gestuurd mogelijk ' zo als door leveranciers wordt verondersteld. Het stollen van de smelt tot een minerale matrix waarin zware metalen zijn gebonden is namelijk een complex proces. Deze is enerzijds een gevolg van het kunnen ontstaan van vele fasen (naast een mogelijke kristallijne fase), hetgeen afhankelijk de belangrijke minerale bestanddelen (doorgaans A l en concentraties van de Ca). Anderzijds kunnen de gebonden metalen ook invloed op deze minerale matrix en kan de binding van een in de matrix worden door de andere aanwezige metalen. Uitspraken over uitloogeigenschappen en daarmee kwaliteit van een smeltgranulaat op basis van kennis van andere smeltgranulaten en het effect van toeslagstoffen) of van thermodynamische berekeningen hebben om deze reden slechts een indicatieve waarde Voor een over de kwaliteit van de reststoffen zijn testen nodig, voorkeur de door een onafhankelijk instituut. E e n aandachtspunt voor de reststoffen drie in deze studie geselecteerde reststromen is de binding van de hoge zware metalen in de smeltgranulaat. Het met name koper, lood, nikkel en zink uit de elektronicaschroot en de kabelafval, voor zover deze niet vluchtig zijn (antimoon, waarschijnlijk lood en 2

De daadwerkelijke civieltechnische toepassing kan niet alleen op van de ' kwaliteit van de reststof worden ingeschat. Voordat een civieltechnische toepassing


als kansrijk wordt ingeschat moet namelijk ook de potenties zien in en toepassing van de reststof. Dat dit niet eenvoudig is, getuigt de verwerking van huishoudelijk afval met drie van de geselecteerde processen (Noell, Siemens en Thermoselect). Hoewel deze verwerking al in ruime mate is onderzocht en beschreven [42] en [30]), geldt namelijk ook hier dat de (zie bijvoorbeeld daadwerkelijke toepassing van de reststoffen als bouwstof in categorie 1 of 2 van het Nederlandse Bouwstoffenbesluit niet zonder meer als probleemloos wordt ingeschat. Waarschijnlijk zijn er verschillen in de kwaliteit van de reststoffen uit de vier geselecteerde processen. Gibros P E C is in staat met het door hen toegepaste Velmede een kristallijne reststof te produceren [43] waarvan de uitloogeigenschappen mogelijk beter zijn dan die van de amorfe smeltgranulaten uit de andere processen. De kwaliteit van de reststoffen van de andere drie processen kan worden vergeleken op basis van de temperatuur die door de smelt wordt bereikt (Thermoselect > Noell > Siemens) en op basis van het afkoeltraject van de smelt (quench voor alle drie processen).

Concluderend kan worden opgemerkt dat er vooralsnog geen reden is om aan te dat de kwaliteit van de reststoffen niet kan voldoen aan de vigerende emissienorm. O m te komen tot daadwerkelijke toepassing van de reststoffen is in een latere fase aanvullend onderzoek noodzakelijk en moeten contacten met mogelijke worden gelegd. Vooralsnog wordt aan de tweede en derde randvoorwaarde voldaan.

Verhoging van energetisch rendement De vierde randvoorwaarde luidde dat het energetisch rendement gelijkwaardig of beter de huidige Indien een gasmotor en een dient te zijn stoomcyclus worden toegepast waarbij een elektrisch rendement van circa 50% wordt behaald op de van het te verstoken gas, dan kan een overall rendement van boven de 30% overall worden behaald. Dit is hoger dan het rendement van een A V I van ongeveer 25% elektrisch, zodat aan deze randvoorwaarde wordt voldaan.

5.5 Verlaging van de verwerkingsprijs De vijfde randvoorwaarde luidde dat de

verwerkingsprijs van de geselecteerde

reststromen met de gekozen verwerkingstechniek lager is dan de verwerkingsprijs met de eventuele huidige verwerkingstechnieken van die reststromen. Hierover kan op dit moment nog geen uitspraak worden gedaan omdat nog niet alle verwerkingsprijzen nauwkeurig zijn afgeschat. Op grond van de getallen van Gibros P E C kan worden geconcludeerd dat een verwerkingsprijs voor de mix (elektronicaschroot, kabelafval en tapijtafval in een

van 82 gulden per ton haalbaar is.

Deze randvoorwaarde zal dus in een mogelijke volgende fase van het project moeten worden geverifieerd.

47


5.6 Technologie bevindt zich

op pilotschaal

De zesde randvoorwaarde luidde dat de te implementeren technologie zich minimaal op pilotschaal moet bevinden. Aan deze randvoorwaarde wordt voldaan; de technologieen van Schwel-Brenn (Fiirth), Thermoselect (Karlsruhe) en Gibros (Aalen) worden op dit toegepast, de technologie van Noell moment middels eerste (Freiberg) bevindt zich op pilotschaal.

48

ECN-C--98--023

6. CONCLUSIES Conclusies die aan uit deze studie kunnen worden getrokken luiden als 1. Uit een inventarisatie van reststromen zijn drie moeilijk of gedeeiteiijk te verwerken reststromen geselecteerd. Dit zijn elektronicaschroot, kabelafval en tapijtafval. Deze reststromen zijn in deze studie verder onderzocht voor verwerking middels pyrolyse. 2. De samenstelling en pyrolyseerbaarheid van de reststromen is onderzocht en de beschikbaarheid van de reststromen is De samenstelling van de reststromen zich met name door hoge percentages as en hoge calorische waarden van 47% en 18,7 MJ/kg, 30% en 19,8 MJ/kg, en 30% en MJ/kg voor respectievelijk elektronicaschroot, kabelafval en tapijtafval. Deze waarden zijn gegeven als L H V en op natte basis (0,6, 0,2 en 5,3% vocht op gewichtsbasis, respectievelijk). De concentratie (schadelijke) zware metalen in met name de reststromen elektronicaschroot en kabelafval is het betreft koper, lood, nikkel en zink. antimoon, De beschikbaarheid van de reststromen voor thermische verwerking in de grootteorde van 100.000 ton per jaar. Deze beschikbaarheid is afhankelijk van aanbod (kabels moeten worden opgegraven, elektronica en tapijt moeten worden ingezameld) en andere verwerkingsroutes (chemische recycling voor tapijt, strippen en shredderen voor kabelafval) van de reststromen. Geschat wordt dat de beschikbaarheid van reststromen zodanig is, dat een installatie met een verwerkingscapaciteit van 60.000 ton per jaar van reststromen kan worden voorzien. Deze 60.000 ton per jaar is onderverdeeld in ton elektronicaschroot, ton kabelafval en 30.000 ton tapijtafval. De pyrolyseerbaarheid van de drie reststromen is onderzocht middels bepaling van de en de van de drie reststromen. De liggen in het bereik van 250-500° C . Bij deze ontleding (van de niet-as fractie van de reststromen) ontstaan gassen, teren en kool in een verhouding die niet sterk afwijkt van verhoudingen bij ontleding van minder reststromen, zoals hout of pure kunststoffen. Op basis van deze informatie wordt de pyrolyseerbaarheid van de drie reststromen als goed ingeschat. 3. Beschikbare pyrolysetechnieken zijn ge'inventariseerd. Aan de hand van vooraf gestelde randvoorwaarden zijn vier op pyrolyse gebaseerde processen geselecteerd die vervolgens zijn Deze vier processen zijn Gibros P E C , NoellKonversionsverfahren, Siemens Schwel-Brenn Verfahren en Thermoselect. 4. Op basis van modeiberekeningen zijn energiebalansen voor verwerking van de drie reststromen in drie van de vier geselecteerde processen gemaakt. Siemens SchwelBrenn is vanwege te verwachten aanpassingen aan de technologie buiten gelaten. De elektrische rendementen van verwerking van de drie reststromen in de • p rocessen zijn hoger dan de elektrische rendementen van verwerking van huishoudelijk afval. De elektrische rendementen van de processen ontlopen elkaar maar weinig en liggen rond de 21% als wordt aangenomen dat een gasmotor met een efficientie van 34% wordt ingezet, en rond de 33% als een gasmotor plus stoomcyclus en stoomturbine met een overall efficientie van 50% wordt ingezet. Als wordt gecorrigeerd voor de inzet van secundaire brandstof (die elders met behulp van een S T E G met een overall efficientie van 55% in elektriciteit kan worden dan het elektrisch rendement van de drie processen terug tot circa 19%

49


respectievelijk 31%. De verschillen tussen de processen zijn klein (max. 2%) en kleiner dan de onnauwkeurigheid (als gevolg van gemaakte aannamen) waarmee de elektrische rendementen van deze processen zijn afgeschat. 5. E r is vooralsnog geen reden om aan te nemen dat de kwaliteit van de reststoffen niet kan voldoen aan de vigerende emissienorm. Om te komen tot daadwerkelijke toepassing van de reststoffen is in een latere fase aanvullend onderzoek noodzakelijk en moeten contacten met mogelijke worden gelegd. 6. Over de met de geselecteerde technieken te realiseren verwerkingspnjzen voor de drie reststromen

kan nog

geen

uitspraak worden

verwerkingsprijzen van de geselecteerde

gedaan

omdat

nog

niet

alle

verwerkingsprocessen nauwkeung

afgeschat. 7

uiteindelijke keuze voor een proces zal worden gemaakt op basis van de verwerkingsprijs voor de reststromen. Omdat de te verwachten elektrische rendementen tussen de processen elkaar maar weinig zullen deze worden bepaald door de investeringskosten en de kosten of baten van de ontstane reststoffen. Omdat over beide aanvullende informatie nodig is om tot een keuze van een proces te komen, is de keuze voor een proces deze projectfase nog niet gemaakt.

50

Literatuur

7. AANBEVELINGEN Aanbevelingen die uit deze studie voortvloeien zijn de volgende: 1. De mogelijke inzet van de pyrolysechar in een grootschalige, commerciele pyrometallurgische smeltinstallatie moet worden ingeschat. Mogelijk moet aan deze van pelletiseren van de char, inzet een voorbehandeling, bijvoorbeeld in de vooraf gaan. In dat geval dienen ook de kosten van deze voorbewerking te worden ingeschat; 2. Op basis van bovengenoemde inschatting moet een grove economische evaluatie worden gemaakt van (een van) de routes: a. pyrolyse -

- afscheiden

- afzet

en afzet

metallische fractie aan commerciele smelter, b. pyrolyse - eventuele opwerking van pyrolysechar

afzet van pyrolysechar aan

commerciele smelter. De eerste route is voor het Gibros-PEC proces al nader uitgewerkt. 3. Bovengenoemde economische evaluatie dient te worden herhaald voor het verwerken van alleen kabelafval en elektronicaschroot, zodat de toegevoegde waarde van tapijtafval aan de verwerking van deze twee reststromen kan worden ingeschat. Als deze drie aanbevelingen zijn uitgevoerd kan een go-no go beslissing worden gemaakt voor de vervolgfase 2: "Reststroom en technologie keuze en voorontwerp".

ECN-C--98-023

51


LITERATUUR 1.

Schriftelijke informatie van

Hazewinkel, Gibros-PEC.

(1997).

2.

E . J. L . F . J . Sijstermans en P. J . A . Verhage: Lekvrije verwijdering en hergebruik van kabelrestanten en Delft, Service en Controle Dienst B . V . (SCD), no.9639, pp. 1-148 (1996).

3.

J . L . B . de Groot en P. C . G . Langeveld: Haalbaarheid hergebruik van Delft, Kunststoffen en Rubber Instituut T N O no.9338, pp. 1-25 (1993).

4.

Mondelinge informatie van P. Verhage, Service en Controle Dienst B.V.

(SCD).

(1997). Schriftelijke informatie van W.H.P. Lucassen, MIREC. 6.

K . van

D . Nagelhout, O. P. Geurts, H . J . en J . Vorrink: in Nederland. Gegevens 1996. Utrecht / Bilthoven, A O O / W A V , A O O 97-09, pp. 1-126 (1997).

7.

wit- en bruingoed wettelijk geregeld. V A M

/

6-7

(1997). 8.

Schriftelijke informatie van R. Witteveen, AVR-Bedrijven. (1997).

9.

R. T . Rotteveel: Verkenning herverwerking kunststofcomponenten kabelafval. Delft, C P M Centrum voor

Materialen T N O ,

no.8934, pp. 1-78

(1990). 10. Ministerie van V R O M : Inventarisatie

van grondkabelrestanten.

rapportnr.

1992/18a, (1992). J. H . O. Hazewinkel, A . B . J . Oudhuis en H . v. Burk: Ontwerpstudie:

Verwerking

van specifieke reststromen met behulp van pyrolyse. To be published by Gibros P E C / E C N (1998). S. Lenz: Eigenheiten, technischer Stand und geschdtzte Kosten der "System Kiener". und Abfall (12/78) 371-387 (1978). H.-J. Berwein:

Betriebserfahrungen

Abfallpyrolyse

der

Aalen. V G B Kraftwerkstechnik 66 (5) 472-476 (1986). M. Vergasungsverfahren fur die beseitigung, Behandlung und Verwertung von Abfdllen. In Vergasungsverfahren fur die Entsorgung von Abfdllen. (Eds. M . Bom and R. Berghoff) pp. 1-31, Dusseldorf (1998). 15. K . Haugsten and M . P. Heisel: Removal of toxic waste by high temperature decomposition and processes for the furnace off-gas purification (1997). J. Rizzon, H . PyroMelt- und dem

and J .

Die Entsorgung von Reststoffen mit 25 (10) R39-R46 (1995).

17. H . Pakdel, C . and C . Roy: Phenolic compounds from vacuum pyrolysis wood wastes. Canadian Journal of Chemical Engineering 75 (1) 121-126 (1997). A . Chaala, H . Darmstadt and C . Roy: Vacuum pyrolysis of electric cable wastes. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis 39 (1) 79-96 (1997).

ECN-C-98-023

53


19. W . Fahnle and P. Dolderer. Pyrolyse fur

Entsorgungspraxis 6 353-358

(1990). 20. Aluminium-recycling.

Project Freiberg Duitsland. Gibros B . V . (1993).

21. B . M . Wolf: Die Mogiichkeiten des PKA Verfahrens zur Umwandiung von - und

Rest-und Ruckstandstoffen aus

in

Handel und Gewerbe

pp. 1-16 (1993).

22. Y . Leipnitz and H.-U. Ponto: The Noell conversion process for residual waste gasification. Modern Power Systems 29-32 (1996). 23.

M . Schingnitz and B .

Das NOELL-Konversionsverfahren

zur Verwertung von Rest- und

-

Technologie

aus Industrie und

Bereichen. 27. Kraftwerkstechnisches

Sonderbrennstoffe und

regenerative Energiequellen fur die Erzeugung von Elektroenergie und Warme, 93¬ 131 (1995). 24

J Gorz: Anforderungen an und der die Vergasung von Abfallstoffen. In Vergasungsverfahren fur die Entsorgung von Abfdllen. (Eds. M . Born and R . Berghoff) pp. 133-153, Dusseldorf (1998).

25

Buttker and W . Seifert: Betriebserfahrungen bei der Hersteiiung des Methanol durch Vergasung SVZ. In Vergasungsverfahren fur die Entsorgung von Abfdllen. (Eds. M . Bom and R . Berghoff) pp. 154-169, Dusseldorf (1998).

26. H . Lorson and M . Schingnitz: Konversionsverfahren zur thermischen Verwertung Kraft 46 (5) (1994). von Rest- und Abfallstoffen. 27. B . and H . Werdinig: Das Erste Betreibsfahrungen und weitere Vortrag fur das X X V I I . Kraftwerkstechnische Kolloquium Sonderbrennstoffe und regeneratieve Energiequellen fur die Erzeugung von Elektroenergie und Warme, 246-271 (1995). 28. E . and R. Ahrens-Botzong: Die thermische Behandlung yon Autoshredder-Leichtfraktion im VGB Kraftwerkstechnik 73 (7) 626-630 (1993). 29. G . Haessler: THERMOSELECT residual waste. 2. rev. and

- the new environmentally friendly way to treat ed. (1995).

30. R . Venendaal, H . E . M . Stassen, F . S. Fell, A . E . Pfeiffer, H . C . Ende and J . C . Wardenaar. Gasification waste: Evaluation the installations of Thermoselect and TPS/Greve. B T G , K E M A and W A V , E W A B 9407 (1994). R. and U . Feuerriegel: THERMOSELECT - Energie- und Rohstoffgewinnung. II: Untersuchungen an der Fondotoce (Italien); der Produkte und Nachweis der Verteilung der in den Chemische Technik 47 (1) 1-10 (1995). 32. R. Stahlberg: Thermoselect - Vergasung und von unterbrechnungslosen Prozess. Lecture on seminar fur die Entsorgung von Abfdllen', held on February 13, Freiberg (Germany). (1998). 33.

54

R . StShlberg, H . K . Mucha and J . Ritz: THERMOSELECT Rohstoffgewinnung durch thermische

- Energy- und 27.

Literatuur

Kraftwerkstechnisches Kolloquium: Sonderbrennstoffe und regenerative Energiequellen fur die Erzeugung von Elektroenergie und Warme, 154-181 (1995). and B . Thermoselect - Vergasung und Direkteinschmelzung 34. R. von Abfdllen im unterbrechnungslosen Prozess. In Vergasungsverfahren fur die Entsorgung von Abfdllen. (Eds. M . B o m and Berghoff) pp. SpringerDusseldorf (1998). 35. R. B . Calaminus, C . and F . Steiger: Advanced continuous line gasification and vitrification of solid waste - A new technology in practice. Gasification technology in practice (1997). 36. R . Berghoff: Thermodynamische Bewertung der Abfallvergasungsprozesse. In Vergasungsverfahren fur die Entsorgung von Abfdllen. (Eds. M . and R . Berghoff) pp. 32-42, Dusseldorf (1998). 37. I. Barin, A . Igelbuscher and F . - R . Zenz: Thermodynamische Modelle zur Analyse der Verfahren fur die thermische Entsorgung von Mull. Ingenieur Technik 68(12) 1562-1571 (1996). 38. Faxbericht van dhr.

Lichtendonk van Siemens, dd. 01-04-98

39. Telefonische informatie van

Dr. Y. Leipnitz-Ponto van Noell,

1998

(1998). 40. Telefonische informatie van dhr. Steiger van Thermoselect,

1998 (1998).

41. Faxbericht van mevr. Dr. Y. Leipnitz-Ponto van Noell, dd. 30-03-98 (1998). 42. A . E . Pfeiffer: Vergelijkende studie. Thermische verwerking van huishoudelijk (management summary). K E M A , 54094-KET/PEC95-2594 (1995). 43.

Milieutechniek B . V . , Engineers B . V . en Techno Invent v.o.f. Nieuwe Merwede: Thermische immobilisatie baggerspecie. Eindrapport pp. 1-80 (1996).

44. T . Merz: Pyrolyse als Libero. Stufenweise von Abfdllen und Konzept zur Verwertung, gezielten Trennung und Entgasung. Berlin, Oktoberdruck, pp. 1-42 (1991). 45. M .

Zur Bewertung

Verfahren in der

Energieanwendung 44 (4)

(1995).

46. M . Schingnitz, P. Gohler, W . Wenzel and W . Seidel: Research results of sewage sludge and waste oil disposal by entrained bed gasification. Energieanwendung 41 (1)26-31 (1992). 47. M . Schingnitz: Besonderheiten der Gasreinigung Vergasungsprozessen. In Vergasungsverfahren fur die Entsorgung von Abfdllen. (Eds. M . and R . Berghoff) pp. 67-79, Dusseldorf (1998). 48. A . Kanczarek and R . Marko: Fertigstellung.

in Fiirth kurz vor der

10 30-35 (1996).

49. R . Venendaal en H . J. Middelkamp: Ontwikkelingen in thermische afvaiverwerking. door en het Schwel-Brenn proces van Siemens. Utrecht, Vereniging van Afvalverwerkers ( W A V ) , E W A B 9429, (1994). 50. Siemens A G : Thermal waste recycling plant. Proces description (1995).

ECN-C-98-023

55

Haalbaarheidsstudie naar de verwerkbaarheid van drie reststromen middels pyroly:

Klein: Entscheidungskriterien

die

des Thermoseiect-Verfahrens

zur

Gas Erdgas 137 (2) 70-77 (1996). 52

R. J . Riegel, U . and F . Steiger: THERMOSELECT - EnergieIII: Massen- und Energiebilanz unter und Rohstoffgewinnung. Beriicksichtigung der Wirtschaftlichkeit der Synthesegasnutzung. Chemische 113-121 (1995).

53.

H . P. Wenning: Pyrolyse von Abfallstoffen. (1992).

56

48-52

BIJLAGE 1 Analyses van de drie reststromen. Datasheets van

ECN-C-98-023

Bijlage 1

naar de verwerkbaarheid van drie reststromen middels pyrolyse.

ECN-C--98--023 Bijlage 1

Untruth

ECN

Phyllis

Netherlands Energy Research Foundation E C N

Database on composition of biomass and waste

ECN-FUELS, CONVERSION and ENVIRONMENT

Sample description

Subgroups

Classification residues

nicaschroot mix

scrap

Ultimate analysis

Proximate analysis

Ash

46,67!

Water content tiles

39,1

H

4,01

29,1

Msr 14,1

dry 19682

36910

19565

18806

35266

18680

Printed

N

Msr

S Calorific value daf

Msr

73,4

73

C

LHV

10002

C

37,8

0,06!

0.11

Msr

0,807

1313!

0,802! Msr

0,7349

Msr

13782

Ash production method

Remarks 10-9-1997, afkomstig van Mirec, mix van TV-scrap, bruingoed, electr. schroot 65, Be: <10 en Bi: <25

electr. schroot en droog

Ash composition

sample (dry)] 38200 Msr

Fe

Msr

Al

25

As

O/C-H/C

100,0

Total:

Elemental analysis

Pb

9900! Msr

C02

A1203

Sb

Msr

S03

CaO

Msr

K

Msr

Se

ND

Msr

Mg

ND

Si

Msr

P205

Na20

Ba Ca

Msr

Mn

ND •

Sn

15300 Msr

Si02

K20

Cd

Msr

Mo

ND

Sr

ND

Co

0| Msr

Na

Msr

Te

ND

Cr

Msr

Ni

1200! Msr

Ti

ND

V

ND

Zn

Msr

Msr

P

Msr

Ti02 Ash composition Pb

Hg

Cd

Mn

Cu

Cr

(ash)]

Ash deformation temperature [°C]

Density

Biochem. composition

(ash)]

MgO

B

Cu

24-06-1998

Phyllis is the Greek goddess of trees, wisdom and genetic information contained in seeds.

ND

F Br

1147

daf

dry

daf

dry

ID-number:

Reducing

Oxidizing

Cellulose

ND

Bulk [kg

Hemicell.

ND

Bulk [kg

Lignine

ND

SOT

Lipids

ND

HT

Proteine

ND

FT

IDT

Particles Morphology Size Size distrib. version 13/5/98 dry ash free ar

as received

Msr - Measured Lim

detection

Calculated determined Unknown

SOT - Softening Temp. HT

Hemispherical Temp.

FT - Fluid Temp. IDT - Initial Deformation Temp.

PO Box 1. 1755 Z G Petten. The Netherlands Phone: 224564594 Fax: Email:

Centrum

ECN


Database on composition of biomass and waste


Sample description HB120GI97

Subgroups

Classification

cables

residues

Ultimate analysis

Proximate analysis dry

ID-number:

1090

daf

daf

ReflDnumber:

Ash

C

Water content

H

[ C

10002

Msr

61.1 531

Msr

203

Cal

N

Msr

S

Msr

value

Printed at: 24-06-1998 Phyllis is the Greek goddess of trees, wisdom and genetic information contained in seeds.

ND

dry

daf

HHV

21100

30057

21054

LHV

19810

28220

19761

F

Msr

Br

ND

0.37

100,0!

100,0

Total:

O/C-H/C

Ash production method

Remarks type kabelafval

Elemental analysis

Ash composition

sample (dry)]

Msr

Fe

3600 Msr

Pb

60200! Msr

C02

A1203

Al

Msr

Hg

ND

Sb

330 Msr

S03

CaO

As

K

Msr

Se

15 Msr

Si

Msr

P205

Na20

Si02

K20

31 Msr

B Ba

Msr

Mg

1600| Msr

Ca

Msr

Mn

Msr

Sn

170| Msr

Cd

Msr

Mo

21 Msr

Sr

100 Msr

Co

1,8| Msr

Na

Msr

Te

ND

Cr

61 Msr

Ni

Msr

Ti

Msr

Cu

Msr

P

Msr

V Zn

MgO

Ti02 Ash composition Pb

Hg

Msr

Cd

Mn

Msr

Cu

Cr

(ash)]


Density


(ash)]

Reducing

Oxidizing

Cellulose

ND

Bulk [kg

Hemicell.

ND

Bulk [kg

Lignine

ND

SOT

Lipids

ND

HT

Proteine

ND

FT

IDT

Particles Morphology Size Size distrib. version 13/5/98 daf ar Msr Urn

dry ash free as received Measured Umi

Cal

Calculated

N.D - Not determined Unknown

SOT

Softening Temp.

HT - Hemispherical Temp. FT IDT

Fluid Temp. Deformation Temp.

PO Box 1. 1755 Z G The Netheriands Phone: 224564594 Fax: +31224563489 Email:

Centrum

ECN

Phyllis


Database on composition of and waste

Classification

Subgroups

jnon-organic residues

'carpet waste


Sample description PB tapijtafval Ultimate analysis [wt.%]

Proximate analysis

ReflDnumber:

Ash

C

Msr

Water content

H

Msr

96,0!

Volatiles

Cal

232!

63,4

131

2,74

131

N

C

Printed at: 24-06-1998

Msr

Phyllis is the Greek goddess of wisdom and genetic information contained in seeds.

Msr

S Calorific value

3.797 Msr

dry

daf

HHV

19500

27937

18466

LHV

18420

26389

17314

O/C-H/C

Msr

0,0035!

F

029!

ND

Br

Total: Ash production method

Remarks ISO

19.26%

degQ,

degC: 25.5% (dry) (average of 21.6,

24.6 and 30.4)

Elemental analysis

Ash composition

sample (dry)]

Msr

Fe

1360! Msr

Pb

320 Msr

C02

A1203

Al As

Msr

Hg

Msr

Sb

5,6 Msr

S03

CaO

B

Msr

K

2300 Msr

Se

Lim

Ba

Msr

Mg

980! Msr

Si

Msr

P205

Na20

Ca

Msr

Mn

Sn

42 Msr

Si02

K20

Cd

Msr

Mo

33! Msr

Sr

67 Msr

Co

2.1 Msr

Na

2950 Msr

Te

ND

Cr

Msr

Ni

Msr

Ti

270 Msr

Pb

Hg

V

23 Msr

Cd

Mn

Msr

Cu

Cr

Msr

Cu

942

daf

dry

daf

dry

ID-number:

Msr •

Msr

P

Zn

MgO

Ti02 Ash composition

(ash)]


Density


(ash)]

Reducing

Oxidizing

Cellulose

ND

Bulk [kg arAn3]

Hemicell.

ND

Bulk [kg dryAn3]

Lignine

ND

SOT

Lipids

ND

HT

Proteine

ND

FT

IDT

Particles Morphology Size Size distrib. version daf - dry ash free ar Msr

as received Measured detection

Calculated

SOT

N.D - Not determined

HT

Cal

Link

Unknown

Softening Temp. Hemispherical Temp.

FT - Fluid Temp. IDT

Initial Deformation Temp.

PO Box 1. 1755 Z G Petten. The Netheriands Phone: 224564594 Fax: +31224563489 Email:

BIJLAGE 2 Technische gegevens 2a 2c 2d

ECN-C-98-023

Gibros-PEC / PKA Noell Konversionsverfahren Siemens Schwel-Brenn Verfahren Thermoselect

Bijlage 2

Haalbaarheidsstudie

Bijlage 2a

Technische gegevens Gibros-PEC / PKA

Gibros PEC [19-21,44] Procescondities Procesonderdeel Voorbehandeling

Pyrolyse

Gaskraker

Pyrometallurgische smelter

Gasreiniging

Gasbenutting Waterzuivering

Bijlage 2

verwerkbaarheid van drie reststromen middels pyrolyse

Pyrolyse van RDF en shredderafval Condities Afhankelijk van te pyrolyseren materiaal. Verkleinen tot max. 150 mm, zeven (3 - 150 mm), drogen tot ongeveer 5% vocht, evt. granuleren, opslag. De fractie < 3 mm wordt rechtstreeks gevoed aan de smelter. Voeding door conische schroef, waardoor voeding wordt verdicht en lucht terug naar de voedingsbunker wordt uitgedreven. Reactor. Draaitrommeloven, extern verwarmd met branders op pyrolysegas. druk tot lichte onderdruk, T = verblijftijd ongeveer 45 Gasvormige pyrolyseproducten worden bij onder toevoeging van zuurstof of lucht volledig in CO, en Tegenwoordig wordt een lege reactor met brander toegepast, in een ouder concept bestond de gaskraker uit een cokesbed op iets lagere temperatuur (1050 - 1200°C). Vaste pyrolyseproducten worden, na afscheiding van ijzer en aluminium, bij temperatuur varierend tussen en 1500°C , gesmolten, afhankelijk de pyrolysekool. Een laag sinterpunt (ca. [44]) en een goede kwaliteit van de slak wordt zeker gesteld met toeslagstoffen als CaO, en NaOH (4)). De smelter wordt opgestookt met een kleine hoeveelheid brandstof (gas of olie) vanwege bedrijfszekerheid. Verder: verbranden kool met lucht of pure zuurstof. Smelter wordt reducerend bedreven zuurstof), zodat: 1/ aantal metalen kunnen worden teruggewonnen als gesmolten fase en 2/ er een stookgas ontstaat dat kan worden bij het pyrolysegas. Gaswasser bij T=120° C : verwijdering van HC1, stof, en Hg. Zakkenfilter voor verdere stofverwijdering. bij T < adsorptie van HCN, en evt. COS en mercaptanen. Actief-koolfilter bij T < adsorptie van vluchtige componenten (Hg, evt. Met name Hg wordt niet voldoende in natte gaswasser en Sulphurex-filter afgevangen. Het actief-koolfilter verlaagt Hg-concentraties van ppm- naar ppb-niveau. Toepassing van pyrolysegas in een gasmotor of als grondstof in chemische synthese. Oxidatie van organische verontreinigingen door ozonering. Adsorptie van organische verontreinigingen aan pyrolysekool. Beladen kool wordt teruggevoerd in de pyrolysereactor. Proces kent een gesloten watercircuit: in proces ontstaan of gebruikt water (condensaat, waswater) wordt opnieuw gebruikt, overschot wordt

ECN-C--98--023

Bijlagen

Massa- en energiebalans Voeding- of productstroom

Debiet van stroom (kg/tijdseenheid)

Shredderafval (p) /RDF (a) Zuurstof Netto waterverbruik Toeslagstoffen smelter ('flux') Toeslagstoffen gasreiniging (NaOH, absorbent) UIT: Ferro/Non-Ferro Synthese gas voor extern gebruik Synthesegas of pyrolysegas eigen verbruik Slakken Residu / metaalconcentraat Warmteverlies (vnlijk in koelwater en koeltoren)

Energie-inhoud van stroom = GJ) 18,0

1000 266 37 18 19

93 943

13,4

91

1,3

188 22 3,3

Samenstelling van producten reststromen Samenstelling Product- of reststroom Samenstelling (vol%): Pyrolysegas C O 14,1; 14,0; 1/ Smelter en gaskraker 1.0; worden met lucht bedreven 5 MJ/nm 3 (LHV) Smelter en gaskraker CO 47,2; 3,9 worden met bedreven Warmte-inhoud: MJ/nm3 (LHV) Bevat weinig zware metalen, heeft een BET-oppervlak van 800¬ Pyrolysekool Minerale fractie (Uitgaande van RDF als voeding)

Samenstelling (wt%): 27% 25% divers. Na opwerking tot basaltblokken (smelten bij voldoet materiaal aan bouwstoffenbesluit.

Status van de technologie en/of locatie Capaciteit installaties in

Freiburg

. Aalen

ECN-C--98-023

10.000 14.000

25.000

Jaartal in bedrijf (te verwachten)

Schatting van aantal draaiuren

23% CaO, 6%

Ervaring met brandstoffen (te verwerken brandstof)

1983-1993 1993

Aluminiumhoudend

eind 1998

RDF, Shredderafval (RDF, industrieel afval, rioolwaterzuiveringsslib)

Bijlage 2


Bijlage 2b

Technische gegevens Noell Konversionsverfahren

Noell Konversionsverfahren [22,23,26,42,45-47]

Pyrolyse / hogedruk'Flugstrom'vergassing van afvalstromen

Procescondities Procesonderdeel Voorbehandeling

Condities Verkleinen met een rotorschaar als voorbehandeling voor de pyrolyse van huishoudelijk en bedrijfsafval, grofvuil etc. Drogen en malen van afvalstromen (rioolwaterzuiveringsslib). Pyrolyse Draaitrommeloven (l=28m, d=2,8 T=550° C , verblijftijd ongeveer een uur. Mechanische voorbewerking Magneet- en Eddy-Current afscheiders voor verkleint pyrolysekool tot < 0,5 mm. van de pyrolyse-char Hoge-druk 'Flugstrom'Invoer in vergassing door twee stikstofgespoelde sluizen die om vergassing en om worden gevuld. -stof en Vergassing met zuivere zuurstof van vermalen -kool bij P= 2-50 bar (afhankelijk van brandstof) en De reactor is een speciale hoge-druk reactor met in de top een brander op aard- of pyrolysegas, een interne waterquench en reactorwanden die de gesmolten minerale materialen kunnen afvloeien naar een waterbad onderin de reactor. Waterquench (halverwege de reactor aan de onderkant van een synthesegas tot wast grootste deel HC1, HF en uit en het grootste deel van vluchtige metalen op Hg, Cd, Pb, Zn in sulfidische als alkalimetalen in Gasreiniging, Gaswassing voor verwijderen stof en HC1, T = COS-verwijdering hydrolyse tot en Ontzwaveling en dat bij in vergassing wordt gevormd, omzetten tot elementaire zwavel [47]). Eventueel een in de vorm van een actief koolfilter. 1/ Gasmotor Gasbenutting Synthesegas voor In dat geval wordt aan de gasreiniging toegevoegd (a) een katalytische water-gas-shift reactie (tussen de gaswasser en de COS-verwijdering) om de juiste verhouding in te stellen; en (b) naast en verwijdering ook (na de COS-verwijdering). Dit kan bijvoorbeeld met een in methanol. Quenchwaterzuivering Filtratie van neergeslagen sulfidische zware metalen. Lozing of indampen met

Massa- en energiebalans Voeding- of produktstroom

IN:

Bijlage 2

(Diverse afvalstromen, rioolwaterzuiveringsslib) Debiet van stroom (kg/tijdseenheid) Huish.afval Huish. afval + slib [45]

toevoeging van Energie-inhoud van stroom = GJ) Onbekend (in [23] wordt grove energie-balans gegevens

1000 75

Afval (voor pyrolyse), na malen direct in vergasser Stikstof Aardgas Zuurstof

1000

onbekend 190 28 (waarde waarschijnlijk te laag) onbekend

52 . 26 422 22

Fijngranulaat ALANS Na pyrolyse huisvuil+slib: 190 kg pyrolysegas, 280 kg pyrolyseslurry, 500 kg pyrolysekool en Na pyrolyse huisvuil: 25 kg

416 kg pyrolysegas, 67 kg pyrolyseslurry, 337 kg pyrolysekool en bovendien 177 kg water uit voorbehandeling.

UIT: Synthesegas Metalen uit pyrolyse (Ferro / Non-Ferro) Smeltgranulaat (mineraal + metaal) uit gasreiniging (Zout)

Zout (afvalwateropwerking) Afvalwater

30

850 25

415

233

25

31 (14) (13) (4) onbekend 383

m3

onbekend 640

Samenstelling van producten reststromen reststroom Samenstelling Synthesegas bij brandstof 1/ Samenstelling (vol%): CO 49; 29; 5,6; <0,1. afvalwaterzuiveringsslib Samenstelling (vol%): CO 49; 32; 12; 6,7; <0,1. Warmte-inhoud: onbekend. Samenstelling (wt%, schatting = samenstelling as van Smeltgranulaat (voeding is afvalwaterzuiveringsslib): 11,1; CaO 20,3; afvalwaterzuiveringsslib) MgO 3,3; 1,1; 7,7; 1,9. Status van de technologie Capaciteit / lokatie Benutting pyrolysegas in installatie 2100 Freiberg

'Schwarze MethanolLausitz synthese Northeim

gasturbine, stoomboiler + -turbine

220.000 MW) 100.000 16.000

Jaartal in bedrijf Ervaring met brandstoffen (te verwachten) (te verwerken brandstof) 1975 Lignine, hout, stro, teren, slurries, vliegas, rioolwaterzuiveringsslib, huishoudelijk afval 1984 poederkool, (olie)slurries, vele soorten afvalstromen als afvalhout en kunststoffen (>= 1996) (huishoudelijk afval, rioolwaterzuiveringsslib)

2


Bijlage 2c Technische gegevens Siemens Schwel-Brenn proces Siemens Schwel-Brenn proces [13,27,28,45,48-50] Procescondities Procesonderdeel Voorbehandeling Pyrolyse


Hoge-Temperatuur Verbranding

Gasreiniging

Benutting stoom

Massa- en energiebalans

Bijlage 2

Pyrolyse Hoge-Temperatuur verbranding van huishoudelijk afval en

Condities Verkleining in een rotorschaar tot kleiner dan 200 mm. Uitwendig (met hete gassen) verhitte draaitrommeloven onder d=2,8 (geeft doorzet van 5 een hoek van 1.5°, 1=22 ton/uur). T=450° C , verblijftijd 1 uur, 3 omwentelingen/minuut. De verwarmingslucht (Tin=520° C , t.o.v. de afvalstroom in de draaitrommel) wordt met stoom voorverwarmd en met gas bijverhit. Afval wordt met 'Stopfschnecke' (=conische schroef) ingevoerd. De draaitrommel werkt onder lichte onderdruk om evt. lekkage te voorkomen. Zeven in fracties van >30 mm, 5 - 30 mm en < 5 mm. Afscheiden van de fijne cokes door Opwerken van de fracties: > 5 mm tot herverwerkbare stoffen en < 5 mm tot een te verbranden koolstof via malen en zeven. Verticale reactor waarbij brandstofdeeltjes en gassen over top worden ingevoerd. T = 1250-1300° C (100 tot 150°C boven verblijftijd min.2 s. Gesmolten as vloeit langs reactorwand naar beneden en wordt in een waterbad gegranuleerd. Een deel van de rookgassen wordt gerecirculeerd vanaf de uitgang van het elektrostatische filter. Door variatie van deze wordt (o.a.) de temperatuur in de HTverbrandingskamer geregeld. De uit de reactor gassen worden gekoeld in een waarbij stoom (400° C , 40 bar) wordt gegenereerd Elektrostatisch bij T=200° C . Vliegas wordt teruggevoerd naar de HT-verbrander. Sproeidroger voor van het afvalwater (T=230° C ), gevolgd door een cycloon en/of doekenfilter voor afvangen van de gevormde zouten. (Optie:) Actief voor verwijdering hoge concentraties schadelijke stoffen (kwik, dioxinen, furanen). Gaswassers voor verwijdering van H Q , HF, resten vliegas, en zware metalen. over een katalysator) voor (met verwijdering stikstofoxyden. Hiervoor worden rookgassen opgewarmd. Injectie van een adsorbens (mengsel van en aktieve kool) voor verwijdering resten verontreinigingen, met name organische verbindingen en zware metalen (kwik), gevolgd door een doekenfilter. Electriciteitsopwekking met of warmtelevering aan derden.

Bijlagen

Voeding- of productstroom

Energie-inhoud van stroom GJ)

Debiet van stroom (kg/tijdseenheid)

IN: Huishoudelijk afval Aardgas Lucht Kalksteen UIT: Ferro / Non-Ferro steen, Smeltgranulaat Residuen Gips HC1 Concentraat zware metalen Rookgassen Elektriciteit

10,0

1000 17 Nm3 3320 nm3 7-8 45/5 45 168 20-23 7-10 1-3 3300 m3 (droge basis)

1,6

Samenstelling van produkt- en reststromen Samenstelling Produkt- of reststroom 16; 55; CaO 15; Samenstelling (wt%, gemiddeld): Smeltgranulaat 5; MgO 2,0; 2,5; 3,5; -; 0,7; overige 2-4. Samenstelling voldoet na gasreiniging (zie boven) aan Duitse Rookgas en aan Nederlandse B L A Status van de technologie / lokatie Benutting installaties pyrolysegas Goldshofe

Gasmotor

Initieel geen (stoom werd afgeblazen). later: generator

Capaciteit in 21.000

1.750

100.000

Fiirth turbine

Ludwigshafen Dortmund

1988 1995

15.000

Ervaring met brandstoffen (te verwerken brandstof) Huishoudelijk afval, rioolwaterzuiveringsslib Idem, plus auto-shredderafval, shredderkunststoffen,

7.000

Yokohama

Aantal Jaartal in draaiuren bedrijf (te verwachten) 1984¬ 10.000 1987

1994

eind 1996 / begin [48]

DSDoud papiersorteerresten, mengsels (zie figuur [27]). Huishoudelijk afval, (lichte fractie) Huishoudelijk afval (37 t/j), bedrijfsafval (34 t/j), grofvuil (8 ontwaterd rioolwaterzuiveringsslib (22

140.000

Bijlage 2

Haalbaarheidsstudie naar de verwerkbaarheid van drie reststromen middels pyroly!

Bijlage 2d

Technische gegevens Thermoselect

Thermoselect [29,30,33¬ 35,51,52] Procescondities Procesonderdeel Voorbehandeling Pyrolyse in 'Degasificatie-Reactor'

Vergassing in 'Hoge-TemperatuurReactor'

Vaste stofafgifte uit

Gasreiniging

Afvalwaterzuivering en • opwerking

Gasbenutting

van huishoudelijk afval

Condities Verdichten van afval van ruwweg 200 tot 1200 in een pers (perskracht 10 MN). Voeding via conische schroef voor uitdrijven lucht en voor verbeteren warmte-overdracht in ontgassingskanaal. (=pyrolyse) in pyrolysekanaal bij oplopende T van 50-600° C en verblijftijd van 2 -2.5 uur. Kanaal wordt uitwendig verwarmd door stoken van pyrolysegas. is belangrijke parameter in deze pyrolyse. Inwendig zijn in het kanaal sleuven aangebracht om de ontstane gassen naar de vergassingsreactor af te kunnen voeren. Ontgassingsproducten vallen uit Degasificatie-Reactor direct in Hoge-Temperatuur Reactor'. Bij T=1200 (top) tot en bij een lichte overdruk (0,3 bar) worden pyrolyseproducten met zuurstof vergast tot synthesegas. Onderin de reactor bevinden zich branders op aardgas of pyrolysegas. Verblijftijden zijn ca. 4 s. voor gassen en minimaal 5 min. voor vaste stoffen. Minerale verbindingen worden in deze reactor, direct verbonden aan de bodem van de H-T-reactor, in een smelt en De reactietemperatuur van wordt bereikt door toevoegen van zuurstof (zodat koolstof wordt verbrand) en extra brandbare gassen. Na worden de vaste stoffen snel afgekoeld met water de van dioxinen, furanen e.d. te voorkomen. Gas-quench voor koelen van gassen tot beneden de vorming van organische verbindingen en Zure en basische gaswassers, plus gasquench, voor het uitwassen van HC1, HF, en stof (metaal- en kooldeeltjes). De overdruk in het proces van 0,3-0,35 bar nodig om de gassen door de gaswassers te leiden. Verdere koeling tot voor condenseren van water. Ontzwaveling in een Sulferox-filter. wordt over een complex geoxideerd tot en zwavel. Gasdrogen in een koeler. filter in synthesegassen Het beladen actieve kool wordt in de teruggevoerd. Neutralisatie met NaOH Neerslag metalen door toevoegen van additieven en bezinken. Filtratie Zoutwinning door osmose en van Het gewonnen zout is geschikt voor hergebruik in industriele toepassingen. Het proceswater wordt in het proces hergebruikt als koelwater. Toepassen van synthesegas in gasmotor, gasturbine, brandstofcellen, waterstofmotoren of als grondstof in chemische synthesen.

ECN-C--98--023 Bijlage 2

en energiebalans Voeding- of productstroom

(Thermoselect-'Standardanlage' [52], bijna gelijke balans in andere balans in [30]) Debiet van stroom (kg/tijdseenheid) Energie-inhoud van [30] 'Afval' [52] stroom = GJ) [52]

IN: Afval Zuurstof Aardgas Propaan Toeslagstoffen Electriciteit UIT: Pyrolysegassen

10,07

10,38

1000,0 336

1000,0

1,16

23,3

0,22

4,9 35

20

0,38 495 798 kg 282 \ /245

895,0

Water Minerale slak Metalen Zouten Residuen Metaal-hydroxide Zwavel Te benutten warmte Eigen

381,8 230,0 29,0 12,0

=

6,02

6,89

\ /0,42

\

/ 17 7,5 2,0 2,87 1,36

\

/4,66

Samenstelling van producten reststromen Product- of reststroom Samenstelling Pyrolysegas Samenstelling (vol%): - (gemiddelde 4 metingen in CO 0,1; Fondotoce) Warmte-inhoud: 6,7-8,7 MJ/Nm 3 (LHV) - Berekening in . CO 32-36; 30-34; 23-26; vergassingsmodel [30] Warmte-inhoud: 9,1-9,8 MJ/Nm 3 (LHV) Samenstelling (wt%): Fe > 90; Cu 5; Zn 0,4 Metaalfractie en P 2,0. Samenstelling (wt%): 11,7; CaO 13,7; Minerale fractie 16,7; MgO 2,4; 5,7; 1,1; 0,8; 0,1. Deeltjesgrootte: 60% van granulaat heeft een deeltjesgrootte tussen mm. Voomamelijk Na, Ca en K in chloride en sulfaatform, met Zouten sporen Sr en Ba en nitraat en Status van de technologie / lokatie Benutting installatie pyrolysegas Fondotoce Karlsruhe

ECN-C-98-023

[30]

Gasmotor en/of affakkelen

Capaciteit in 30.000 225.000

Jaartal in bedrijf (te verwachten) 1992

Ervaring met brandstoffen (te verwerken brandstof) Onbekend

(1998 of 1999)

Bijlage 2


Bijlage 2

BIJLAGE 3 Reactor-ontwerp 3a

ECN-C-98-023

'Flugstrom-vergasser' in Noell Konversionsverfahren Gekoppelde pyrolysekanaal met vergassingsreactor van Thermoselect

3


Bijlage 3

ECN-C-98-023

Teilstufe Gas fur Pilotbrenner

Rest- und Brennstoff

Ablauf

Quench-

Rohgasausgang

r

Restwasser

Granulat und Umwelttechnik GmbH

PREUSSAG

THERMOSELECT

Mineralstoffe Metallgrahulat

BIJLAGE 4 Gegevens voor het bepalen van de energiebalansen van de drie geselecteerde reststromen in de processen van Noell Flugstrom en Thermoselect Noell [36,53]

s

Thermoselect [30,36]

°C

Temperatuur pyrolyse 1600

Temperatuur

1200 2000 ° C

wordt

Niet

afgescheiden na pyrolyse [30] 2

Intern elektriciteitsverbruik voor

154,9 afval

Intern elektriciteitsverbruik overig

Getallen referentie-case (waarden per huishoudelijk afval) Zuurstof-verbruik Aardgas- of dieselverbruik Eigen stookgasverbruik pyrolyse

0,131 kWh/kg

0,131 kWh/kg 75,8 afval

kg 297 (424,02 kg)

(451,42 kg)

6,0 kg diesel (72 kWh)

32,5 Nm 3 aardgas (23,20 kg, 323 kWh)

581 kWh

430 kWh

en smelten vindt gelijktijdig in dezelfde reactor plaats bij dezelfde temperatuur. In referentie [30] wordt voor het Thermoselect-proces een energieverbruik voor zuurstofproductie gegeven van 0,1285 Uit referentie [23] kan voor Noell Konversionsverfahren een getal van kWh/kg worden berekend. In deze studie wordt gerekend met een gemiddelde van

ECN-C-98-023

Bijlage 4


BIJLAGE 5 Rekenmethodiek voor het bepalen van de energiebalansen van de drie geselecteerde reststromen voor Noell Flugstom en voor Thermoselect De referentiecase voor een proces levert een energiebalans waarin de aan de vergasser en smelter toegevoegde hoeveelheden zuurstof en extra brandstof in dat proces zijn berekend, alsmede de warmteverliezen in het proces. Vanuit deze referentiecase worden de energiebalansen voor de drie geselecteerde reststromen berekend, waarbij de volgende aannamen worden gemaakt: •

•

De hoeveelheid toegevoegde secundaire brandstof is: recht evenredig met het debiet aan as dat vanuit de pyrolysetrommel de smelter bereikt (Thermoselect);

•

•

•

- ofwel het is constant (Noell) omdat de brandstof dient voor een steunvlam; hoeveelheid toegevoegde zuurstof is in alle gevallen recht evenredig met het debiet aan as dat vanuit de pyrolysetrommel (Thermoselect) of de vergassingsreactor (Noell Flugstrom) de smeltaftap bereikt. Dit is gedaan omdat deze stroom het belangrijkste warmteverlies veroorzaakt, die moet worden gecompenseerd met warmteopwekking door verbranding. E r is bewust voor gekozen om niet het totale warmteverlies uit pyrolysetrommel + vergassingsreactor + evt. smelter constant te kiezen en daaruit de zuurstofhoeveelheid te berekenen, omdat het warmteverlies / de warmtebehoefte in de pyrolysetrommel onafhankelijk het deze zuurstofhoeveelheid; De warmteinhoud van de gassen en de smelt gaat verloren bij de gas- en asquench. E r wordt dus geen thermisch rendement toegekend aan eventueel opgewekte stoom of aan brandstofuitsparing door warmtewisseling; Het eigen elektriciteitsverbruik verandert niet als een andere brandstof wordt gekozen, het elektriciteitsverbruik voor zuurstofproduktie wordt gekoppeld aan het benodigd debiet aan zuurstof; De processen en verschillende reststromen worden vergeleken op basis van het elektrisch rendement, waarbij voor elektriciteitsopwekking een gasmotor wordt toegepast met een elektrisch rendement van 34%.

Berekend worden de hoeveelheid benodigde zuurstof, de samenstelling van het stookgas op thermodynamisch evenwicht bij de vergassingsof verbrandingstemperatuur, de energie-inhoud van dit stookgas ("stookgas bruto" in de resultaten), de hoeveelheid stookgas die benodigd is om de pyrolysetrommel te verhitten en de hoeveelheid te benutten stookgas ("stookgas netto" = "stookgas bruto" - eigenverbruik stookgas voor pyrolyse). De resultaten van deze berekeningen kunnen worden vergeleken met de resultaten uit de studie van Berghoff [36]. Dit levert een inschatting van de onnauwkeurigheid in de berekende rendementen.

Bijlage 5

ECN-C-98-023

energy innovation NAAR DE VAN PYROLYSE J.P.A. A.B.J. H. Postbus 1 ZG Petten

Recommend Documents