097 1 Rookgasreiniging door ir. M. Würdemann Koninklijk Ingenieurs- en Architektenbureau HASKONING Nijmegen 1. Inleiding 097 3 2. Historie 097 3 3. Huidige methoden 097 4 4. Emissienormen 097 7 5. Verwijdering van ongewenste componenten 097 8 5.1. Zware metalen 097 8 5.2. Zuurvormende gassen 097 8 5.3. Koolstofdioxyde 097 9 5.4. Dioxinen 097 10 6. Toekomstige ontwikkelingen 097 10 7. Aanvullende literatuur 097 11
097 3 1. Inleiding Bij afvalverbranding (Chemische feitelijkheden 096) in een afvalverbrandingsinstallatie (AVI) komen verbrandingsgassen vrij. Deze zogenaamde rookgassen kunnen, afhankelijk van de samenstelling van het verbrande afval, allerlei voor de gezondheid en het milieu schadelijke stoffen bevatten. Recent kwam de besmetting van zuivelprodukten met dioxinen rond een aantal AVI s in het nieuws. De koeien werden besmet via het gras en de grond waarop de dioxinen uit de rookgassen waren neergeslagen. Behalve dioxinen komen in rookgassen nog andere milieuschadelijke stoffen voor, zoals zwaveldioxyde (SO 2 ), stikstofoxyden (NO x ), zoutzuur (HCl), fluorwaterstof (HF) en zware metalen. In deze Chemische feitelijkheden wordt de verwijdering van de schadelijke stoffen uit de rookgassen behandeld, zoals die vroeger en nu plaatsvindt. Ook wordt ingegaan op toekomstige ontwikkelingen. 2. Historie Tot het midden van de jaren zestig bleef de reiniging van de rookgassen bij afvalverbranding veelal beperkt tot de toepassing van cyclonen, waarmee de in de rookgassen aanwezige stofvormige verontreiniging (de vliegas (Chemische feitelijkheden 028, 1985)) met een naar de huidige maatstaven zeer slecht rendement verwijderd werd. Alle andere verontreinigingen werden geloosd in de atmosfeer. In een cycloon wordt de te reinigen gasstroom in een snel draaiende stroming gebracht, waarbij de vaste stofdeeltjes naar buiten worden geslingerd. Op deze wijze zijn bij reiniging van rookgassen van afvalverbranding rendementen van circa 95 % bereikbaar. Door de introductie van het elektrostatische vliegasfilter nam het realiseerbare rendement van de stofreiniging daarna aanzienlijk toe. Bij een elektrostatisch filter ( elektrofilter of kortweg e-filter ) passeren de rookgassen een samenstel van positieve (bestaande uit platen) en negatieve elektroden (bestaande uit draden). De toegepaste elektrische spanning bedraagt enkele tienduizenden Volt. De in de rookgassen aanwezige stofdeeltjes nemen een elektrische lading over van de negatieve elektroden en worden daardoor afgezet
097 4 Rookgasreiniging op de positieve elektroden, waarvan ze periodiek door kloppen verwijderd worden. Op deze wijze werden reinigingsrendementen van 99 % en meer bereikt. 3. Huidige methoden Pas sinds het midden van de jaren zeventig kwamen met name in West-Duitsland en Zwitserland rookgasreinigingssystemen tot ontwikkeling die ook in staat waren om gasvormige verontreinigingen, in het bijzonder HCl, HF en SO 2 uit de rookgassen van afvalverbrandingsinstallaties te verwijderen. Daarbij worden zogenaamde droge en natte systemen onderscheiden, met een aantal gecombineerde en subsystemen zoals semi-droog en nat-afvalwatervrij. Al deze systemen worden ook in Nederland toegepast. Droge systemen worden gekenmerkt doordat de gasvormige, zuurvormende verontreinigingen gebonden worden aan in de rookgasstroom ingeblazen kalk, om daarna in stofvorm uit de rookgasstroom verwijderd te worden. Figuur 1 geeft de opzet aan van een dergelijk droog rookgasreinigingssysteem. schoorsteen 0886-0099 STOOM- KETEL primaire stofafscheiding kalk zuigtrekventilator secundaire stofafscheiding E-FILTER REACTOR DOEKFILTER vliegas residu rookgasreiniging Figuur 1. Schema droge rookgasreiniging.
097 5 Een subvariant betreft semi-droge rookgasreiniging, waarbij geen droge kalk wordt ingeblazen, maar in water opgeloste kalk (kalkmelk) wordt ingespoten. Het water verdampt in de hete rookgassen. Voordeel van toepassing van semi-droge rookgasreiniging is, dat het kalkverbruik lager is dan bij droge rookgasreiniging, bij overigens gelijke prestaties. 0886-0100 natronloog schoorsteen STOOM- KETEL primaire stofafscheiding E-FILTER MEERTRAPS NATTE WASSING suppletiewater zuigtrekventilator spuiwater vliegas kalk residu rookgasreiniging VOORNEUTRA- LISATIE AFVALWATER- BEHANDELING kalk/hci afvalwater Figuur 2. Schema natte rookgasreiniging.
097 6 Rookgasreiniging 0886-0101 afvalwater suppletiewater natronloog schoorsteen STOOM- KETEL primaire stofafscheiding E-FILTER zuigtrekventilator SPROEI- DROGER DOEKFILTER MEERTRAPS NATTE WASSING vliegas residu rookgasreiniging kalk NEUTRA- LISATIE Figuur 3. Schema natte afvalwatervrije rookgasreiniging. Natte rookgasreinigingssystemen worden gekenmerkt doordat de zuurvormende gassen oplossen in water, dat zeer intensief met de rookgasstroom in contact wordt gebracht. Het gebruikte waswater ondergaat daarna op zijn beurt een reinigingsbehandeling of wordt ingedampt (afvalwatervrij). De opzet van een nat rookgasreinigingssysteem is aangegeven in figuur 2 en van een nat afvalwatervrij rookgasreinigingssysteem in figuur 3. Natte rookgasreinigingssystemen hebben als voordeel, dat het chemicaliënverbruik lager is dan bij droge of semi-droge rookgasreiniging en dat zeer goede reinigingsrendementen gerealiseerd kunnen worden. Nadeel van natte rookgasreiniging is het optreden van een afvalwaterstroom. Reiniging van dit afvalwater is weliswaar mogelijk, maar de oplosbare zouten (vooral chloriden) blijven ook dan aanwezig. Natte afvalwatervrije rookgasreiniging, waarbij het afvalwater wordt ingedampt is relatief gecompliceerd en duur.
097 7 4. Emissienormen Nieuwe installaties in West-Europa, Japan en de Verenigde Staten worden tegenwoordig normaliter uitgerust met een nat (eventueel watervrij) rookgasreinigingssysteem. Alleen met deze methode kan aan de tegenwoordig zeer strenge emissienormen worden voldaan. Tabel 1 geeft een overzicht van de in Nederland in de jaren tachtig ingevoerde emissienormen. Uit de tabel blijkt een aanzienlijke aanscherping van de normen in de periode van 1985 tot 1989. Sinds 1989 geldt in Nederland de Richtlijn Verbranden 1989, waarin naast normen voor stof en verzurende gassen ook normen voor koolstofmonoxide (CO), onverbrande koolwaterstofverbindingen (C x H y ), diverse zware metalen, stikstofoxiden (NO x ) en dibenzo-p-dioxines en dibenzo-p-furanen (PCDD s en PCDF s, veelal eenvoudigheidshalve als dioxines aangeduid) zijn opgenomen. Tabel 1. Overzicht emissienormen naar lucht (mg/m 3 ) emissie Richtlijn Verbranden 1985 Richtlijn Verbranden 1989 stof: 50 5 verzurende gassen: HCl 50 10 HF 3 1 SO 2 40 NO x 70 onvolledig verbrande koolstofverbindingen: CO 50 C x H y als C 10 PCDD/PCDF s als TCDD-equivalent 0,1 (ng/nm 3 )** zware metalen: Cd 0,1 0,05 Hg 0,1 0,05 Sb+Pb+Cr+Cu+Mn+V+Sn+ As+Co+Ni+Se+Te 1 Pb+Zn 5 * De emissiewaarden betreffen maximale 24-uurs gemiddelden, betrokken op droge rookgassen onder normale condities (0 C, 101,3 kpa) en omgerekend op 11 % zuurstof. Voor de Richtlijn Verbranden 1989 gelden uurgemiddelden. ** ng = nanogram = 10 9.g.
097 8 Rookgasreiniging 5. Verwijdering van ongewenste componenten Bij een goed ontwerp van rooster en vuurhaard, zoals behandeld in Chemische feitelijkheden 096 over Afvalverbranding, wordt aan de aangegeven normen voor CO en C x H y zonder problemen voldaan. De rookgasreinigingsinstallatie zelf draagt niet bij aan een verdere verlaging van de uitstoot van deze stoffen. 5.1. Zware metalen Zware metalen zijn voor het overgrote deel aan het stof gebonden en worden bij een goede stofverwijdering eveneens tot beneden de norm uit de rookgassen verwijderd. Een speciale positie neemt daarbij het zware metaal kwik (Hg) in, dat bij de temperatuur van de rookgassen bij het verlaten van de ketel nog voor een gedeelte in gasvormige toestand voorkomt. Voor cadmium (Cd) geldt dat eveneens, maar in mindere mate. Deze stoffen kunnen worden verwijderd door een verdere verlaging van de rookgastemperatuur (natte wassers) en/of door toepassing van specifieke middelen (sulfiden, actieve kool). 5.2. Zuurvormende gassen Deze fractie van de rookgassen draagt bij aan de vorming van zure regen. De gassen HCl, SO 2 en HF worden in een rookgasreinigingsinstallatie, zoals in het voorgaande behandeld, met een hoog rendement verwijderd. Stikstofoxiden (NO x ) zijn evenals HCl en SO 2 ook zuurvormende gassen, maar laten zich in droge of natte rookgasreinigingsinstallaties niet verwijderen. De vorming kan enigszins worden beperkt door een optimaal ontwerp van het verbrandingsproces, met procesgeïntegreerde maatregelen, maar voor het realiseren van de emissienormen van de Richtlijn Verbranden 1989 is toepassing van een zogenaamde DeNOx-stap nodig. Er is op laboratorium- en proefschaal een groot aantal daarvoor in aanmerking komende chemische processen ontwikkeld. Naar de huidige inzichten komen daarvan met name het zogenaamde selectieve katalytisch reductieproces (SCR) en het selectieve niet katalytische reductieproces (SNCR)
097 9 voor toepassing bij afvalverbranding in aanmerking. Beide processen berusten op een reactie waarbij ammoniak (NH 3 ) gedoseerd in de rookgasstroom wordt ingeblazen en samen met de NO x leidt tot de vorming van normale stikstof (N 2 ) en waterdamp (H 2 O). Bij SNCR vindt deze reactie, bij een temperatuurniveau van circa 900 C, boven in de vuurhaard plaats, bij SCR in een achter de gewone rookgasreiniging geschakelde DeNOx-installatie bij een temperatuur van 350 C of eventueel nog lager, onder invloed van een katalysator, zoals bijvoorbeeld vanadium. 5.3. Koolstofdioxide Bij de verbranding van afval wordt (CO 2 ) geproduceerd, een gas dat bijdraagt aan het broeikaseffect (Chemische feitelijkheden 039, 1986). Toch resulteert afvalverbranding mogelijk zelfs in een beperking van het broeikaseffect, wanneer rekening gehouden wordt met de volgende factoren: de bij afvalverbranding toegepaste energieterugwinning maakt een besparing mogelijk op het verbruik van primaire energiedragers die zelf ook een CO 2 -uitstoot veroorzaken; het bij afvalverbranding geproduceerde CO 2 is slechts ten dele afkomstig van van oorsprong fossiel materiaal (kunststoffen) en bestaat voor een ander deel uit CO 2 afkomstig uit organisch materiaal van een kortdurende kringloop (papier, hout, etc.); wanneer niet her te gebruiken materialen niet worden verbrand maar gestort, wordt over een wat langere termijn ook CO 2 en daarnaast ook methaan (CH 4 ) geproduceerd. CH 4 heeft een twintig à dertig maal zo groot broeikaseffect als CO 2. 5.4. Dioxinen Voor de beperking van de uitstoot van PCDD s en PCDF s die zich aan fijne vliegas hechten, worden zowel procesgeïntegreerde maatregelen als emissiebeperkende maatregelen toegepast. Als procesgeïntegreerde maatregelen zijn van belang: een goed beheerst verbrandingsproces, een snelle afkoeling van de rookgassen door het temperatuurtraject van 200 tot 400 C en beperking van de gevormde hoeveelheden vliegas. Emissiebeperking wordt gerealiseerd door toepassing van filtratie met actieve kool. De werking daarvan
097 10 Rookgasreiniging berust op het feit dat dioxines zeer goed door actieve kool worden geadsorbeerd. De actieve kool wordt ofwel toegepast in bestaande onderdelen van de rookgasreinigingsinstallatie (bijvoorbeeld bij droge reiniging, door het meedoseren van actieve kool met de kalk) ofwel in daarvoor speciaal opgenomen reactoren, bijvoorbeeld in de vorm van een vastbedreactor. 6. Toekomstige ontwikkelingen Met name ten aanzien van de hiervoor aangegeven verwijdering van NO x en van PCDD s en PCDF s dateren de ontwikkelingen van de laatste jaren; het aantal toepassingen op bedrijfsschaal is daardoor nog beperkt. De huidige snelle ontwikkeling van de rookgasreinigingstechnologie zal zich zeker voortzetten. Daarbij zal het accent naar verwachting niet zozeer liggen op een nog verdergaande beperking van de emissies, maar op zaken als procesoptimalisering, vergroting van de bedrijfszekerheid, beperking van de hoeveelheid geproduceerde reststoffen en verbetering van de kwaliteit daarvan. 7. Aanvullende literatuur A. Klinkenberg, Vuilverbranding 2. Stichting Natuur en Milieu, Utrecht, 1991. M. Krijgsman, Dioxine onderzoek bij huisvuilverbrandingsinstallaties. Ministerie van Volksgezondheid, Ruimtelijke Ordening en Milieuhygiëne, December 1991. Huisvuilcentrale Noord-Holland/HASKONING, Milieu-Effectrapport Huisvuilcentrale Noord-Holland te Alkmaar, (1991). Rijksinstituut voor Volksgezondheid en Milieuhygiëne, Onderzoek emissies afvalverbrandingsinstallaties, Bilthoven, 1989. Eindrapport, rapportnr. 738473006. Ministerie van Volksgezondheid, Ruimtelijke Ordening en Milieuhygiëne, Richtlijn Verbranden, augustus 1989 met aanvullingen van februari 1990 en mei 1991.