Verbranding van huishoudelijk en soortgelijk afval

Transcriptie

1 096 1 Verbranding van huishoudelijk en soortgelijk afval door ir. M. Würdemann Koninklijk Ingenieurs- en Architektenbureau HASKONING Nijmegen 1. Inleiding Historische ontwikkeling Roosterverbranding Energieterugwinning Reststoffen Aanvullende literatuur 096 9

2 Inleiding Afvalverbranding vormt in landen met een hoog welvaartsniveau een belangrijke schakel in de afvalverwijderingsketen. Het Nederlandse beleid voor afval en afvalverwerking geeft tegenwoordig hoge prioriteit aan afvalpreventie. Daarna volgt hergebruik van daarvoor in aanmerking komende afvalstoffen. Afvalverbranding komt vooral in aanmerking voor (brandbare) afvalstoffen, die zodanig verontreinigd zijn, dat hergebruik of nuttige toepassing niet verantwoord is. De afvalverwijderingsketen wordt tenslotte afgerond met storten; dat blijft bij voorkeur beperkt tot niet-herbruikbare of niet-verbrandbare afvalstoffen. Naast huishoudelijk afval en soortgelijk bedrijfsafval komt ook een aantal andere categorieën afval voor verbranding in aanmerking, zoals bepaalde categorieën chemisch afval, zuiveringsslib, ziekenhuisafval en sommige soorten agrarisch afval. Daarvoor worden echter veelal technieken toegepast die afwijken van de bij de verbranding van huishoudelijk afval normaliter toegepaste roosterovens, die in deze Chemische feitelijkheden worden behandeld. Het primaire doel van afvalverbranding is volumereductie van het te verwerken afval. Voor huishoudelijk afval bedraagt de volumereductie circa 90 %. Daarnaast biedt afvalverbranding de mogelijkheid om energie terug te winnen. Bijzondere aandacht is gericht op de reiniging van de bij de verbranding vrijkomende rookgassen. Deze rookgasreiniging wordt niet in deze Chemische feitelijkheden behandeld, maar komt in Chemische feitelijkheden 097(1993) aan de orde. Naar schatting werd in Nederland in à 7 miljoen ton huishoudelijk en soortgelijk afval geproduceerd. Hiervan werd 2,5 à 3 miljoen ton verbrand. 2. Historische ontwikkeling Technische afvalverbrandingsinstallaties werden eind vorige eeuw voor het eerst toegepast voor de verwerking van het afval van een

3 096 4 Afvalverbranding aantal grote Europese steden. Het bleef echter tot ongeveer 1950 een vrij primitieve techniek. Weliswaar speelden hygiënische aspecten bij de toepassing van afvalverbranding een rol, maar aan de milieuhygiënische aspecten werd nauwelijks aandacht besteed. De technische ontwikkeling van afvalverbranding is pas goed op gang gekomen na de Tweede Wereldoorlog. Als belangrijkste oorzaken daarvoor kunnen worden genoemd: de onder invloed van de toenemende welvaart eveneens toenemende afvalhoeveelheden; de wijziging van de samenstelling van het afval. Als gevolg van een stijgend gehalte aan papier en kunststoffen en afnemende hoeveelheden as van kolenkachels nam de verbrandingswaarde van het afval aanzienlijk toe. Helaas steeg echter ook het gehalte aan milieuschadelijke stoffen, zoals met name chloor, zware metalen en toxische organische stoffen; het sterk toenemende milieubesef; ten aanzien van afvalverbranding is er veel bezorgdheid over de effecten van in de atmosfeer uitgestoten schadelijke stoffen. In de meeste Westeuropese landen wordt tegenwoordig 25 tot 50 % van het voor verbranding in aanmerking komende afval ook daadwerkelijk verbrand. In Japan bedraagt dit percentage meer dan 50 %. In de Verenigde Staten ligt het percentage met circa 5 % nog erg laag, maar naar verwachting zal daar binnen enkele jaren een aanzienlijke uitbreiding van de capaciteit plaats gevonden hebben. In de overige delen van de wereld wordt afvalverbranding weinig toegepast, met uitzondering van enkele grootstedelijke gebieden. Onder invloed van de hiervoor genoemde factoren zijn in de jaren vijftig en zestig voor huishoudelijk afval roostersystemen ontwikkeld, waarbij het afval op een bewegend rooster verbrand wordt. Deze roostersystemen zijn in de loop van de tijd verder geperfectioneerd. Ze komen hierna aan de orde.

4 096 5 Tabel 1. (1992) Overzicht capaciteit verbranding van huishoudelijk afval Installatie Capaciteit ton/jaar Bouwjaar AVR (Rozenburg) Den Haag Rotterdam (Roteb) Dordrecht (Gevudo) Amsterdam-Noord Alkmaar (vvi) Arnhem (Avira) Nijmegen (ARN) Roosendaal totaal Roosterverbranding Voor de verbranding van huishoudelijk afval en soortgelijk bedrijfsafval worden meestal roostersystemen toegepast, waarbij het afval verbrand wordt op een licht hellend of vlak rooster. Een belangrijk gedeelte van de voor de verbranding benodigde lucht wordt van onder af door het rooster en het daarop liggende afvalbed geblazen. Het transport van het afval vindt deels door de zwaartekracht, deels door roosterbewegingen plaats. Het afval wordt op het rooster gedoseerd vanuit een gekoelde vulschacht en valt na het rooster (verblijftijd in de regel iets minder dan een uur) als zogenaamde slak in een met water gevulde ontslakker. Deze ontslakker draagt zorg voor de koeling en afvoer van de slak uit de oven en fungeert tevens als waterslot, om de in de vuurhaard heersende geringe onderdruk te handhaven. Belangrijk voordeel bij de verbranding van afval op een rooster is de goede mogelijkheid van de toevoer van verbrandingslucht, alsmede het feit dat de afmetingen van het te verbranden materiaal aanzienlijke verschillen mogen vertonen. De moderne roosters bezitten een goede pookwerking en luchtver-

5 096 6 Afvalverbranding deling, waardoor ongelijkmatige verbranding van de verschillende bestanddelen van het afval wordt opgevangen. Specifiek kenmerk van de vuurhaard is de toepassing van secundaire lucht, die zorg draagt voor een intensieve menging van de rookgassen en voor de aanwezigheid van voldoende zuurstof. In combinatie met de minimale temperatuur van 850 C en een voldoende lange verblijftijd van de rookgassen in de vuurhaard (minimaal 2 seconden), is een optimale uitbrand van de rookgassen gewaarborgd. 4. Energieterugwinning Energieterugwinning bij afvalverbranding vindt plaats door de hete rookgassen door een ketel te voeren voor de produktie van stoom. De in de jaren vijftig en zestig bij afvalverbranding toegepaste ketelconcepten waren direct afgeleid van de toenmalige kolengestookte keteltypes. In de jaren zeventig werd het ketelconcept aangepast aan de specifieke eigenschappen van huishoudelijk afval, te weten: het hoge chloorgehalte van de rookgassen, dat in combinatie met de optredende hoge temperaturen leidde tot ernstige corrosieproblemen; het lage smeltpunt van de as; daardoor blijft de as kleverig bij lagere temperaturen dan hetgeen bij verbranding van steenkool het geval is. De kleverige as gaf aanleiding tot vervuilingsproblemen in de ketel. Tegenwoordig wordt het grootste deel van de teruggewonnen energie gebruikt voor elektriciteitsproduktie. Daarvoor wordt een stoomturbine toegepast, gekoppeld aan een elektrische generator. In tabel 2 zijn enkele gegevens opgenomen betreffende de te realiseren elektriciteitsproduktie.

6 096 7 Tabel 2. Enkele globale gegevens met betrekking tot de verbranding van 1 ton huisvuil. stookwaarde: 10 GJ energieopbrengst: hoeveelheid rookgassen m 3 * hoeveelheid geproduceerde elektriciteit 700 kwh rendement omzetting brandstof in elektrische energie 25 % reststoffen: hoeveelheid slak 250 kg hoeveelheid schroot 25 kg hoeveelheid vliegas 20 kg hoeveelheid residu van de rookgasreiniging 10 kg financieel overzicht: Kosten Baten kapitaalslasten, 200, onderhoud, 30, personeel, 15, bedrijfsmiddelen, 10, reststoffenverwijdering, 20, energieopbrengst, 50, netto verwerking, 225, * omgerekend naar normale condities (0 C, 101,3 kpa). Door de relatief lage toegepaste stoomtemperaturen blijven de op deze wijze haalbare energetische rendementen (circa 25 %) beperkt in vergelijking met de rendementen die bij moderne elektriciteitscentrales bereikbaar zijn (circa 45 %). Toch kan de uit afval teruggewonnen energie een niet te verwaarlozen bijdrage leveren aan de totale landelijke of regionale elektriciteitsbehoefte (in de ordegrootte van 5 %). Daardoor wordt op primaire energiedragers (kolen, olie en gas) bespaard. Een verbetering van het energetische rendement is mogelijk door toepassing van de zogenaamde warmte-kracht-koppeling. Daarbij wordt niet alleen elektriciteit geproduceerd, maar ook warmte geleverd aan gebruikers in de omgeving. Door gebrek aan voldoende grote afnemers blijft de toepassing van warmte-kracht-koppeling bij Nederlandse afvalverbrandingsinstallaties vooralsnog beperkt. Er is nog een aanzienlijk groeipotentieel.

7 096 8 Afvalverbranding 5. Reststoffen Bij verbranding van afval wordt een gewichtsreductie gerealiseerd van circa 70 %. De beperking van het benodigde stortvolume bedraagt echter circa 90 %, ten gevolge van het relatief hoge soortelijke gewicht van de belangrijkste reststof, de slak. Door eventuele nuttige toepassing van de slak kan het stortvolume zelfs nog verder worden gereduceerd. Toch vormen de reststoffen een belangrijk aandachtspunt, zoals hierna nader zal worden toegelicht. De vrijkomende reststoffen betreffen met name: de verbrandingsslak (circa 25 gewichts-% van het te verbranden afval). De slak wordt in de regel gezeefd, gebroken en ontijzerd, waardoor een groot gedeelte van de slak nuttig kan worden toegepast, bijvoorbeeld als vulstof in de civiele techniek. Omdat de slak verontreinigd is met zware metalen en daardoor een risico vormt voor het milieu (weglekken van de metalen naar bodem, water en grondwater) geldt daarbij een aantal beperkende voorwaarden. Het per 1 september 1991 van kracht geworden BACA (Besluit Aanwijzing Chemische Afvalstoffen) en het nieuwe Ontwerp-Bouwstoffenbesluit gaan daarbij een belangrijke rol spelen; het uit de slak afgescheiden schroot (meestal zo n 2,5 %), dat kan worden hergebruikt in de staalindustrie; de in de ketel en in een eerste stofreinigingsstap vrijkomende vliegas (circa 2 gewichts-%) die als vulstof in de bouwsector wordt toegepast of wordt gestort. Het bevat relatief hoge concentraties dioxinen en is op grond van het BACA chemisch afval; het residu van de rookgasreiniging; hoeveelheid variërend van circa 1 tot 3 %, afhankelijk van het toegepaste type rookgasreinigingsinstallatie. Ook samenstelling en eigenschappen kunnen afhankelijk van het type rookgasreiniging verschillen. In principe gaat het hier echter om sterk verontreinigd materiaal (chemisch afval), dat op verantwoorde wijze dient te worden gestort. Met als stimulans de hierboven aangegeven problematiek van een verantwoorde verwijdering van de reststoffen vindt op het ogenblik

8 096 9 veel onderzoek plaats naar mogelijkheden tot beperking van de hoeveelheid reststoffen en tot verbetering van de samenstelling. Ook wordt gestreefd naar een gunstiger uitlooggedrag, hetgeen wil zeggen dat de verontreinigingen die worden gestort beter gestabiliseerd worden en minder gemakkelijk uitspoelen door regenwater (uitlogen). Dat betreft deels procesgeïntegreerde maatregelen, zoals de reeds genoemde verbetering van het verbrandingsproces en beperking van de produktie van vliegas en residu van de rookgasreiniging, deels aanvullende technieken zoals stabiliseren, verharden en verglazen om bijvoorbeeld een beperking van de uitloogbaarheid te realiseren. Met name ten aanzien van de verschillende technieken van nabehandeling van de reststoffen wordt in de (nabije) toekomst nog een aanzienlijke ontwikkeling verwacht. 6. Aanvullende literatuur Afval Overlegorgaan, Ontwerp-Tienjaren-Programma Afval met bijbehorend MER en overige bijlagen (1992). Huisvuilcentrale Noord-Holland,/HASKONING, Milieu-Effectrapport Huisvuilcentrale Noord-Holland te Alkmaar (1991). KEMA/NOVEM, Optimalisatie energiebenutting bij afvalverbranding (1990). Landelijke Commissie Coördinatie Afvalbeleid (LCCA), Voorstel tot vernieuwing van het afvalstoffenbeleid, Leidschendam, juli Ministerie van Volksgezondheid, Ruimtelijke Ordening en Milieuhygiëne, Nationaal Milieubeleidsplan-plus. Leidschendam, Ministerie van Volksgezondheid, Ruimtelijke Ordening en Milieuhygiëne, Notitie inzake preventie en hergebruik van afvalstoffen. Leidschendam, Ministerie van Volksgezondheid, Ruimtelijke Ordening en Milieuhygiëne, Richtlijn Verbranden, augustus 1989 met aanvullingen d.d. februari 1990 en mei 1991.