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Title
Development and Assessment of a Novel Treatment Process for Municipal Solid Waste Incineration Fly Ashes / von Florian Huber
Additional Titles
Entwicklung und Bewertung eines neuartigen Behandlungsverfahrens für Flugasche aus der Müllverbrennung
AuthorHuber, Florian
Thesis advisorFellner, Johann
PublishedWien, 2018
Description90 Seiten
Institutional NoteTechnische Universität Wien, Dissertation, 2018
Annotation
Arbeit an der Bibliothek noch nicht eingelangt - Daten nicht geprueft
Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers
LanguageEnglish
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)Flugasche / Müllverbrennung
Keywords (EN)Fly Asches / Municipal Solid Waste Incineration
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-115574 Persistent Identifier (URN)
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Development and Assessment of a Novel Treatment Process for Municipal Solid Waste Incineration Fly Ashes [5.79 mb]
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Abstract (German)

Bei der Müllverbrennung fallen ca. 3 % des Abfallinputs als Flugasche an. Diese stellt einen gefährlichen Abfall dar und muss dementsprechend entsorgt werden. Da die derzeitigen Behandlungsbzw. Entsorgungsoptionen für diese Flugaschen alle mit verschiedenen Nachteilen verbunden sind, ist es das Ziel dieser Dissertation ein neues Verfahren zu entwickeln und dessen Umweltauswirkungen und Kosten mit dem Stand der Technik zu vergleichen. Das entwickelte Verfahren beinhaltet die thermische Behandlung von Müllverbrennungsflugasche zusammen mit brennbaren Abfällen in bereits bestehenden Müllverbrennungsanlagen (MVA). In einem Versuch im Großmaßstab wurden in einem Zeitraum von 102 h bis zu 300 kg befeuchtete MVA-Flugasche pro Mg brennbare Abfälle in einer MVA mit Drehrohrofen behandelt (Paper I). Die Ergebnisse der Analyse zeigten, dass die eingebrachte Flugasche nahezu vollständig in die Drehrohrofenschlacke eingebunden wurde, wobei diese Schlacke weiterhin einen nicht-gefährlichen Abfall darstellte. Die Befeuchtung der Flugasche verhinderte erfolgreich die Emission von Staub während des Transports und der Lagerung. Allerdings verursachten Hydratationsreaktionen im befeuchteten Material einen Temperaturanstieg und die Bildung von Klumpen aus erhärteter Flugasche im Müllbunker, die beide den kontinuierlichen und sicheren Betrieb der Anlage beeinträchtigen. Als mögliche Lösung für dieses Problem wurde die Aufbauagglomeration als Vorbehandlung untersucht. Ungefähr 400 kg Flugaschepellets wurden hergestellt und in einem elektrisch beheizten Drehrohrofen im Pilotmaßstab bei verschiedenen Temperaturen und Winkel behandelt (Paper II). Diese Versuche zeigten, dass sich MVA-Flugasche sehr gut für die Pelletierung eignet und die mechanischen Eigenschaften der so hergestellten Pellets eine weitere Verarbeitung erlauben. Eine thermische Behandlung bei 450 C für 10 min war bereits ausreichend um ein nicht-gefährliches Material zu erzeugen. Die Umweltauswirkungen der thermischen Behandlung von MVA-Flugasche zusammen mit brennbaren Abfällen wurden mittels Ökobilanz bestimmt (Paper III). Insgesamt wurden sieben Szenarien für die Behandlung und Entsorgung von MVA-Flugasche erstellt und modelliert, wobei einige davon auch die Verwertung von Flugasche enthalten. Die Ergebnisse der Ökobilanz zeigten, dass die thermische Behandlung zusammen mit brennbaren Abfällen mit niedrigeren Umweltauswirkungen als die Stabilisierung mit Zement verbunden ist. Das Szenario mit den niedrigsten Umweltauswirkungen ist jedoch für beide Betrachtungszeiträume die Rückgewinnung von Metallen mittels Wäsche mit saurem Wäscherwasser. Da die Ergebnisse der Ökobilanz zeigten, dass die Rückgewinnung von Ressourcen aus MVAFlugasche eine Option mit geringen Umweltauswirkungen ist, wurde eine Ressourcenklassifizierung nach der United Nations Framework Classification for Resources (UNFC) für MVA-Flugasche durchgeführt (Paper IV). Dazu wurde eine wirtschaftliche Bewertung aller Szenarien, die eine Rohstoffrückgewinnung enthalten, durchgeführt. Neben Investitionsund Betriebskosten wurden auch Umweltauswirkungen monetarisiert, um eine Beurteilung aus einer Makround Mikroperspektive durchzuführen. Die Ergebnisse dieser Analysen zeigten, dass die Verwertung von MVA-Flugasche in der Zementherstellung sowohl aus Mikroals auch aus Makroperspektive als kommerzielles Projekt aus beiden Perspektiven klassifiziert werden kann, während die Metallrückgewinnung nur aus der Makroperspektive ein kommerzielles Projekt darstellt. Schlagwörter: Flugasche, Verbrennungsrückstände, Müllverbrennung, thermische Behandlung, Ökobilanz, Ressourcenklassifizierung

Abstract (English)

About 3 % of the waste input into a waste incineration plant arise as fly ash, which constitutes a hazardous waste and has to be disposed of accordingly. As the current municipal solid waste incineration (MSWI) fly ash management options are all associated with various disadvantages, this thesis aims at developing a novel fly ash treatment process and comparing its environmental and economic performance with other options known in the state of the art. The developed process comprises thermal treatment of MSWI fly ash together with combustible waste in existing MSWI plants. In a large-scale experiment, up to 300 kg moistened fly ash per Mg of combustible waste were treated in a rotary kiln hazardous waste incinerator for 102 h (Paper I). The inserted MSWI fly ash as well as bottom ash, fly ash and scrubber water from the rotary kiln were sampled and chemically analysed. The results from this analysis revealed that MSWI fly ash was almost completely transferred to the rotary kiln bottom ash, which, however, still constituted a nonhazardous waste. The moistening of fly ash effectively prevented dust emissions during transport and storage. However, hydration reactions in the moistened material caused a temperature increase and formation of lumps of hardened fly ash in the waste bunker, which both impair the continuous and safe operation of the incinerator. As a possible solution to this problem, agglomeration was investigated as pretreatment prior to insertion in the waste bunker. About 400 kg of pelletised MSWI fly ash were produced and treated in a pilot-scale electrically heated rotary kiln at different temperatures and angles (Paper II). These experiments showed that MSWI fly ash is well suitable for agglomeration and the mechanical properties of the pellets produced allow their further processing. Thermal treatment at 450 C for 10 min was already sufficient to generate a non-hazardous material, but treatment at higher temperatures leads to higher volatilisation of heavy metals. The environmental impact of thermal treatment of MSWI fly ash together with combustible waste was determined by life cycle assessment (LCA) (Paper III). Seven scenarios for the treatment and disposal of MSWI fly ash, some of them comprising recycling processes, were established and modelled within an LCA framework. The LCA results showed that thermal treatment together with combustible waste has a lower environmental impact than stabilisation with cement. The scenario with the lowest impact is the recovery of metals by washing with acidic scrubber water. As the results from LCA showed that resource recovery from MSWI fly ash has a low environmental impact, resource classification according to the United Nations Framework Classification for Resources (UNFC) was applied on MSWI fly ash (Paper IV). Thereby, an economic assessment of all scenarios comprising resource recovery was conducted. Monetary valuation of the LCA results was applied to subsequently combine the results from economic and environmental assessment and determine the resource potential from a public entitys macro perspective whereas the private investors micro perspective includes only the results from the economic assessment. Cement production could be classified as commercial project from both perspectives, while metal recovery constitutes a commercial project from the macro perspective only. Keywords: fly ash, combustion residue, waste incineration, thermal treatment, life cycle assessment, resource classification

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