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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur auslaugsicheren Entsorgung von Kraftwerksrückständen aus thermischer Verbrennung fossiler Brennstoffe, wobei als Kraftwerksrückstände Aschen aus einer Verbrennung von Braunkohle verwendet werden.
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Moderne Braunkohlekraftwerke werden nur noch mit Rauchgasentschwefelungsanlagen (REA) betrieben. Will man hohe Entschwefelungsgrade erreichen, ist der Einsatz einer Nassentschwefelung unerlässlich. Als Reststoffe eines derartigen Kraftwerksbetriebes fallen letztendlich die unterschiedlichsten Aschen sowie feste und flüssige Rückstände der Rauchgasentschwefelung an, die entsprechend den gesetzlichen Bestimmungen zu entsorgen sind. Derartige Entsorgungen sind für den Kraftwerksbetreiber kostenintensiv.
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Aus der
WO 88/02739 ist ein Verfahren zur Entsorgung von schadstoffbeladenen Stoffen und eine Verwendung des hergestellten Produktes bekannt, wobei der zu entsorgende Stoff unmittelbar mit Asche, ggf. unter Wasserzugabe, unter Einstellung eines Wasser/Asche-Verhältnisses zwischen 0,23 und 0,35 gemischt wird und die Mischung anschließend im Ruhezustand vollständig hydratisiert.
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Die
DE 195 31 942 C2 beschreibt ein sehr ähnliches Verfahren, bei dem einem Gemisch aus Filteraschen und Nassaschen aus Braunkohlenkraftwerken Hüttensand beigemischt wird, denen als Anreger Filteraschen zugegeben werden, welche mit Prozesswasser einer REA so vorhydratisiert werden, dass nur deren Freikalk abgelöscht wird, wobei als Anmachwasser Prozesswasser einer REA eingesetzt wird.
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Auch bei der
DE 44 29 781 C2 wird ein Verfahren zur Entsorgung von Flugasche mit hohen Freikalkgehalten beschrieben, bei dem die Flugasche mit 10 bis 25% Wasser vermischt wird, um den Freikalk ausreichend (mind. eine Stunde) abzulöschen. Die abgelöschte Flugasche wird dann in einem zweiten Schritt nochmals mit 25% bis 35% Wasser vermischt und danach über einen Gurtbandförderer oder Schurren abtransportiert.
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Ein sehr ähnliches Verfahren beschreibt die
DE 101 09 903 A1 , bei dem Flugasche nach einem ersten Mischen mit Wasser in einem zweiten Schritt auf dem Transportweg an ein oder mehreren Stellen nochmals mit Wasser befeuchtet wird, so dass sich ein Feuchtegehalt von 15 bis 35% einstellt.
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Ein Verfahren zum Herstellung eines Ersatzbaustoffes und zur Abdeckung von Deponien beschreibt die
DE 10 2004 059 234 A1 . Dabei werden Aschen und Abfälle in einem Intensivmischer speziell vermischt, bis sich ein pH-Wert von 10 bis 11 einstellt und anschließend verdichtet in eine Deponie eingebaut.
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Die
DE 196 32 518 B4 beschreibt eine Anlage zum Behandeln von CaO-haltigen Materials mit Wasser im Anschluss an eine das Material vermischende Mischvorrichtung, wobei der Transport auf einem nach oben offenen Fördermittel in einem Tunnel oder unter einer Haube geführt wird und durch die Haube zusammen mit dem Fördermittel ein Reaktionsraum geschaffen wird, der mit mindestens einer Entlüftungseinrichtung versehen ist, in dem für das Fördergut eine Reaktionswärme von 70° bis 140°C erzeugt wird.
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Eine ähnliche Anlage wird in der
DE 10 2007 056 905 A1 beschrieben, bei der Abfallstoffe über eine in einer Umhausung geführten Schnecke abgefordert werden, wobei die Umhausung eine Heizeinheit aufweist.
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Eine Aufbereitungsanlage zur Aufbereitung und Verwertung der Flugasche aus Kraftwerken, insbesondere der Flugasche aus Elektrofiltern, aus Nassabscheidern etc. beschreibt die
DE 20 2006 003 458 U1 .
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Die
DD 291 015 A5 beschreibt ein Verfahren zur Aufbereitung von kalkhaltigen Flugaschen, wobei die gesamte Asche mit einem definierten Wasseranspruch vorbefeuchtet wird, nach einer dreiminütigen Reaktionszeit völlig oder teilweise in einem Gasstrom dispergiert und klassiert wird und die Feinkornfraktion von etwa 20 +/– 5 μm einer nochmaligen Ablöschreaktion unterworfen wird, sodass ein pulverförmiges Produkt entsteht.
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In der
DE 4103 412 C2 wird ein Verfahren zur Herstellung einer zu einem Bau- und/oder Dichtungsbaustoff hydratationsfähigen Masse unter Verwendung von Filterasche beschrieben, wobei die Filterasche unter Zugabe von Wasser verrührt und die Masse zu dem Bau- und/oder Dichtstoff weiterarbeitet wird, wobei für Mischungen aus mindestens zwei Filteraschen und/oder Filteraschekomponenten, die unterschiedliche Körnungsbänder aufweisen, der jeweilige Wasseranspruch für die Herstellung von dem jeweiligen Mischungsverhältnis entsprechenden Dispersion ermittelt wird, und dass die Filteraschen und/oder Filteraschekomponenten in einem Mischungsverhältnis, das außerhalb des Miximums des W/A-Wertes oder eines relativen Maximums des Kurvenverlaufs des W/A-Wertes im Bereich eines relativen Minimums des W/A-Wertes oder eines Bereiches mit relativ geringer A/W-Wert-Änderung liegt, gemischt und zu einer Dispersion verrührt wird. Dieses Verfahren weist mehrere Nachteile auf:
- 1. Es findet eine Dispergierung des Gemisches aus zwei Filteraschen oder deren Komponenten mit einem hohen Wasseranteil statt.
- 2. Es findet keine Zwischenlagerung der Dispersion statt (Reaktionszeit).
- 3. Das Verfahren ist schwer nacharbeitbar und kompliziert handhabbar.
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Die
DE 10 2004 051 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Deponiebinders zur Immobilisierung und Verfestigung schwermetallhaltiger Abfälle auf einer Deponie, wobei die jeweilige Löslichkeit bzw. Konzentration der Phasenbildner und festes SO
3 ermittelt, diese Ergebnisse zur Berechnung der Stoffanteile verwendet und die ermittelten Anteile zu einem Gemisch mit einem Wasseranteil von 2 bis 40 M-% gemischt sowie als Schicht auf eine Deponieoberfläche aufgebracht, verdichtet und als selbstragende Schicht mit einem hohen Anteil eines feinkristallinen, siliciumhaltigen Ettringits ausgebildet wird. Nach einem Vormischen des Gemisches und einer Wasserzugabe von 20 bis 40 M-% kann das Gemisch gemäß Patentanspruch 2 nachgemischt werden, wobei hierzu in der gesamten Schrift keine weiteren Ausführungen gemacht werden. Das Verfahren ist grundsätzlich einstufig ausgeführt. Ein mögliches Nachmischen ist gekoppelt an einen hohen Wasseranspruch von 20 bis 40 M-%. Es erfolgt keine Zwischenlagerung des Gemisches.
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Alle bekannten Verfahren zur Deponierung von Aschen weisen folgende Nachteile auf:
- • die Ablöschung von kalkhaltigen BFA ist oft zeitaufwendig und kostenintensiv
- • derartige Aschen neigen unter Wassereinwirkung zu heftigen hydraulischen Reaktionen mit massiven Wärmeentwicklungen und anschließenden Treiben, sodass in der Regel keine auslaugsichere Lagerung möglich ist
- • die Zugabe von Zusatzmitteln, wie Hüttensand, REA-Gips, REA-Prozesswässern, Klärschlamm etc. macht eine Ablöschung noch schwieriger und die Reaktionen noch komplexer
- • es liegen in der Regel dann Festkörper vor, die aufgrund der unkontrollierten Volumenzunahme der Asche nach Wasserkontakt eine heftige Riss- und Bruchbildung aufweisen, so dass entweder ein trockenes, abgelöschtes Schüttgut mit hohen Restkalkgehalten oder ein zerstörter Festkörper (ebenfalls mit unreagierten Freikalk-Anteilen) vorliegt
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur auslaugsicheren Entsorgung von Kraftwerksrückständen aus thermischer Verbrennung fossiler Brennstoffe zu entwickeln, welches eine sichere, vollständige, schnelle und auslaugsichere Möglichkeit bietet, schadstoffbelastete Kraftwerksrückstände zu lagern.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass
- eine kalkreiche Braunkohlenfilterasche (BFA) mit einem Freikalkgehalt von 8 bis 10 M-% zusätzlich durch eine Beimischung von noch kalkreicheren Wirbelschichtaschen (WSA) mit einem Anteil von 5 bis 20 M-% und einem Freikalkgehalt von 11 bis 25 M-% in einem zweistufigen Verfahren derart aktiviert wird, dass die temperaturentwickelnde Löschungsreaktion und die verfestigende Phasenbildungsreaktionen sowohl zeitlich als auch räumlich voneinander getrennt werden, wobei
- • in einer ersten Stufe das Aschegemisch je nach vorliegendem Freikalkgehalt mit Anmachwasser in einer Größenordnung von 3 bis 18 M-% der jeweiligen Aschemenge vermischt wird, dass bei einer optimalen Lagerungsdichte der Aschepartikel eine vollständige Ausfüllung des verbleibenden Porenraumes erreicht wird,
- • wobei das Gemisch anschließend zwischengelagert wird und
- • in einer zweiten Stufe mittels Nachmischung so gemischt wird, dass das entstehende Gemisch nach Durchlaufen der zweiten Stufe einen Wassergehalt von 1 bis 25 Ma-% der Aschemenge in Abhängigkeit von der vorliegenden Korngrößenverteilung aufweist und ein Stabilisat hergestellt wird, welches eine qualitätsgerechte Einbaukonsistenz des Mischgutes sicherstellt, wobei der Einbauwassergehalt des Gemisches in einen Deponieraum über dem Wert des bodenmechanisch relevanten Proctorgehaltes eingestellt wird,
und gefügeverfestigende sowie -verdichtende Reaktionsprozesse unter den Bedingungen niedrig-hydrothermaler Syntheseprozesse geschaffen werden, wobei das erdfeucht eingebrachte Gemisch nach einem zusätzlichen Verdichtungsvorgang beim Einbau als Deponiekörper in Form monolithischer Gefügekörper (Monokörper) hergestellt wird.
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Der Freikalk stellt die Hauptkomponente des reaktiven Anteils der Asche dar und ist daher aufgrund seiner im Vergleich zu den übrigen Bestandteilen sehr hohen hydraulischen Reaktivität und den damit verbundenen Erscheinungen (Wärmeentwicklung, Volumenzunahme) bestimmend für das initiale Reaktionsverhalten der Asche bei Kontakt mit Wasser.
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Die in der ersten Verfahrensstufe während der Reifung ablaufenden Reaktionen beschränken sich im Wesentlichen auf die Umsetzung:
- • des Freikalks
- • des Tricalciumaluminats und
- • des Yeelimits,
wobei keine der Reaktionen vollständig verläuft. Mit nur sehr minimalen oder keinen Reaktionserscheinungen gehen alle übrigen reaktiven Komponenten (Anhydrit, Brownmillerit, Periklas und Ascheglas) aus diesem Prozess hervor. Damit laufen in der ersten Verfahrensstufe bevorzugt jene Reaktionen ab, die die höchste Wärmefreisetzung aufsetzen. In diesem erfindungsgemäß ersten Prozess, wirken, bedingt durch die hohe Hydratationswärmeentwicklung, zwei konkurrierende Prozesse: - a. die steigende Löslichkeit und zunehmende Reaktionsgeschwindigkeit des Freikalks,
- b. die beschleunigte Verdampfung des zum Freikalklöschen notwendigen freien Wassers im Reaktions-Gemisch
mit steigenden Temperaturen.
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Da die Reaktion a. zudem abhängig ist von weiteren chemischen und physikalisch beeinflussten Zuständen des Freikalks (Brenntemperatur, Korngröße, chemische Zusammensetzung bzw. Reinheit), ist in der Regel der erforderliche Zeitraum für einen vollständigen Freikalkumsatz länger als jener für die Verdampfung des in der Mischung befindlichen Wassers, das heißt das abgelöschte Aschematerial ist trotz Wasserüberschuss (bezogen auf den stöchiometrisch für die Löschreaktion notwendigen Wasserbedarf) trocken, bevor der Freikalk restlos hydratisiert ist. Ein stärkerer Wasserüberschuss reduziert zwar die Temperaturentwicklung im Asche-Wasser-Gemisch, ändert damit aber auch die Bildungsbedingungen für die ablaufenden Hydratphasenkristallisation sowie Konsistenz- und damit Porenverhältnisse des Materials. Die Folge wären rasch ablaufende, stark verfestigende Reaktionen (Ettringitbildung), die, beschleunigt durch die erhöhten Temperaturen, zu einer steinartigen Erhärtung des Materials führen und in dieser Form erst zu jenem Zeitpunkt erwünscht sind, wenn das Asche-Wasser-Gemisch den gesamten Verfahrensprozess durchlaufen hat und in der beabsichtigten Form endgelagert wurde. Auch diese Reaktionen wären abgeschlossen, bevor der Freikalk vollständig hydratisiert ist. Alle weiteren, aufgrund des noch verfügbaren Wassers möglichen Reaktionen liefen ab diesem Zeitpunkt praktisch in einem Festkörper ab, der auf die damit verbundenen Volumenzunahmen mit Riss- und Bruchbildung reagieren würde. Im Ergebnis beider Reaktionsvorgänge läge die Asche bei einer einmaligen Wasserzugabe in Abhängigkeit von der zugesetzten Wassermenge entweder als
- • trockenes, abgelöschtes Schüttgut mit hohen Restfreikalkgehalten oder
- • zerstörter Festkörper (ebenfalls mit unreagierten Freikalk-Anteilen) vor.
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Im Rahmen aufwendiger Versuchsserien wurde überraschend herausgefundenen, dass eine hohe Freikalkablöschung im Rahmen des erfindungsgemäßen zweistufigen Verfahrens dann auftritt, wenn in der ersten Stufe die temperaturentwickelnde Löschreaktion und die verfestigende Phasenbildungsreaktion sowohl zeitlich, als auch räumlich voneinander getrennt wurden. Um dies zu gewährleisten, ist es notwendig, die angefeuchtete, reagierende Asche in einem System zu lagern, welches eine längere Verweildauer und damit Kontaktzeit des Anmachwassers mit dem Freikalk sicherstellt. Die zweite Stufe des Verfahrens muss entsprechend der angestrebten materialtechnologischen Eigenschaften des verfestigten Endproduktes (Stabilisat) eine qualitätsgerechte Einbaukonsistenz des Mischgutes sicherstellen.
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Durch die verfahrenstechnische Trennung von Ablösch- und Verfestigungsprozess verlagern sich die gefügebildenden Hydratationsreaktionen im Wesentlichen auf jenen Zeitraum nach Endversatz des Mischgutes. Zu diesem Zeitpunkt muss das Material alle jene Merkmale aufweisen, die es befähigen, zu einem langzeitstabilen Produkt mit den erforderlichen Gebrauchseigenschaften auszuhärten. Die Reaktionsmechanismen werden in diesem Stadium vor allem durch Temperatur- und Druckverhältnisse, resultierend aus:
- • dem Einbauwassergehalt
- • der Einbautemperatur
- • den Umgebungseinflüssen
- • den Hydratationswärmeentwicklungen
innerhalb des Stabilisatkörpers bestimmt, wobei aufgrund seiner Dimension von einer ausgesprochenen Konstanz langzeitwirkender mechanischer und thermischer Einflüsse auszugehen ist.
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Das erfindungsgemäße Asche-Wasser-Gemisch stellt ein chemisch wirkendes, dynamisches, zeitveränderliches System dar, dessen Dichtungs- und Festigkeitseigenschaften sich mit fortschreitender Zeit ständig verbessert, da die Erhärtungsvorgänge sich unter fortschreitender Bildung neuer kristalliner oder amorpher Phasen, die sich aus den in Bezug auf diese Phasen gesättigten Porenlösungen ausscheiden, vollziehen. Dabei gehen die bodenmechanischen Eigenschaften mit zunehmendem Alter zugunsten einer betonähnlichen Verfestigung und Verdichtung vollständig verloren. Zum Zeitpunkt, an welchem das Asche-Wasser-Gemisch als Stabilisat über die günstigsten Gebrauchseigenschaften verfügt, liegt es als starres Festkörpersystem vor, dessen Verformungsverhalten ausschließlich Elastizitätscharakter trägt.
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Diese Phasenneubildungen sind neben der rein physikalischen, der zunehmenden Gefügedichtigkeit geschuldeten Eluationsreduzierung, aufgrund ihres spezifischen Chemismus ursächlich verantwortlich für das Schadstoffimmobilisierungsvermögen des Aschestabilisates im eigentlichen Sinne einer kristallchemischen Fixierung. Voraussetzung für eine ausreichende Reduktion der Porosität im Zuge der Verfestigung ist dabei die größtmögliche Wassersättigung des Porenraumes, da die verdichtend (und verfestigend) wirkenden Hydratphasenbildungsprozesse ausschließlich in der wässrigen Phase ablaufen. Es wurde herausgefunden, dass alle zum Zeitpunkt des Einbau-Endes verbleibenden Luftporen auch nach Aushärtung des Gemisches zu einem Festkörper (Stabilisat) im vollen Umfang erhalten bleiben und nur durch nachträgliche Wasserzufuhr wieder reaktivierbar sind. Aus diesem Grunde ist zur Erzielung maximaler Materialeigenschaften ein Wassergehalt erforderlich, der bei optimaler Lagerungsdichte der Aschpartikel nach Einbau bzw. Verdichtung den verbleibenden Porenraum vollständig ausfüllt. Der Porenraum muss ausreichen, alle Kristallisationen und die damit verbundenen Kristallisationsdrücke spannungs- und expansionsfrei aufzunehmen. Dazu ist es notwendig, dass der Einbauwassergehalt über dem Wert des bodenmechanisch relevanten Proctorgehaltes liegt. Durch Überführung des Systems in einen Zwängungszustand durch Aufbringen entsprechend dimensionierter Auflasten, kann einer Rissbildung entgegengewirkt werden. Die Auflast muss innerhalb von 24 Stunden fertig gestellt sein und hat die doppelte Höhe der zu beschwerenden Einbaulage zu erreichen. Eine im Raster 25 × 25 m eingebaute 1 m hohe Lage, ist mit 2 m Höhe abzudecken, so dass in der ersten Lage 1.000 t Asche eingebaut werden, die dann mit ca. 2.000 t Asche abzudecken sind. Die bekannten bodenmechanischen Beziehungen zwischen initialem Verdichtungsgrad und Gefügedichtigkeit ist auf hydraulisch reagierende Systeme nicht übertragbar. Hohe Verdichtungsgrade des eingebauten Asche-Wasser-Frischgemisches ziehen keinesfalls hohe Gefügedichtigkeiten und damit geringe Wasserdurchlässigkeiten des Stabilisates zwingend nach sich. Die in diesem Zeitraum ablaufenden Reaktionen wirken nur verdichtend, solange die neu gebildeten Strukturen nach innen gerichtet kristallisieren, das heißt die Porenräume verschließen. Ist dieser Raum nicht mehr vorhanden, wirken sie ausschließlich expansiv nach außen, gefügeauflockernd und der ursprünglichen Verdichtung beim Einbau entgegen. Ein sehr hoher Verdichtungsgrad für stark reagierende Systeme reduziert zwar primär den verfügbaren Porenraum, führt allerdings nachfolgend im Reaktionsverlauf zu einer wesentlich stärkeren sekundären Gefügeaufweitung, also zum nicht erwünschten Treiben.
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Es wurde gefunden, dass das herzustellende Aschestabilisat dabei als künstlich geschaffener Festkörper, der die Eigenschaften eines geogenen diagenetisch verfestigten Sedimentgesteins mit denen eines technogen produzierten Zementmörtels verbindet, zu betrachten ist.
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Aufgrund der schadstoffimmobilisierenden Eigenschaften der hydraulisch gefügeverfestigenden und -verdichtenden Reaktionsprozesse wirkt der gesamte Aschenkörper als Schadstoffdurchsickerungsbarriere. Der zentrale Aschenkörper und eventuell separat angelegte Ascheschichten (Deponiebasis, Deckeldichtung) bilden ein stofflich identisches System, in welchem die zirkulierenden oder durchströmenden Lösungen mit dem umgebenden Aschematerial chemisch im Gleichgewicht stehen – ein Konzentrationsgefälle von Schadstoffen innerhalb des erfindungsgemäßen Aschenkörpers existiert nicht – so dass für den Stoffaustrag aus diesem System lediglich das Eigenelutionsverhalten des Aschestabilisates maßgeblich ist.
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Der erfindungsgemäße Aschenkörper ist daher in seiner Gesamtheit als monolithischer Gefügeverband zu betrachten.
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Aufgrund der stofflichen Identität des herzustellenden Deponiekörpers und gesondert anzulegender Teilschichten laufen in beiden Bereichen gleichartige exotherme Hydratationsprozesse ab, die vergleichbar mit wärmefreisetzenden Abbinde- und Erhärtungsvorgängen im Zement- oder Betonsektor sind. Höhe und Verlauf der dabei auftretenden Temperaturen bestimmen wesentlich den chemischen Charakter der ablaufenden Reaktionsvorgänge sowie die Stabilität der gebildeten Hydratationsprodukte.
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Beim erfindungsgemäß herzustellenden Stabilisat ist von einer Langzeitwirkung von Temperaturen im Bereich von > 80°C, vorzugsweise 80 bis 100°C nahezu im gesamten Material auszugehen. Die Temperaturen gehen im Inneren des -Aschekörpers dann langsam zurück. Die gefügeverfestigenden und verdichtenden Reaktionsprozesse laufen damit unter Bedingungen niedrig-hydrothermaler Syntheseprozesse ab. Das hohe Wärmespeichervermögen und die guten Isolationseigenschaften des Aschestabilisates sowie die ausgesprochene Langzeitwirkung einiger Phasenbildungsprozesse bewirken eine langfristige Stabilität der vorgegebenen Milieubedingungen, so dass selbst retrograde Abkühlprozesse in Zeiträumen ablaufen werden, die für sich betrachtet ein quasi-statisches (isothermes) Gleichgewicht hinsichtlich der Thermodynamik chemischer Reaktionen darstellt.
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Der Aschenkörper ist damit auch unter dem Blickwinkel physikalischer Einwirkungen als monolithisches Gesamtsystem zu betrachten.
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Vorteile der Erfindung:
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- • auslaugsichere, langzeitstabile Entsorgung von Kraftwerksrückständen möglich
- • keine zusätzlichen Deponiebaumaßnahmen (Sohle, Abdeckung) notwendig, außer des speziellen Einbaus des Materials
- • erstmals gefügedichter Monokörper aus verschiedenen Aschen in Form eines betonähnlichen Blockes
- • durch Aktivator ist eine schnelle hydraulische und trotzdem beherrschbare Reaktion möglich
- • sehr geringe Durchlässigkeiten (Eluationsfähigkeit)
- • Abbau des in der Asche enthaltenen freien CaO durch die erste Reaktionszeit zwischen Mischstufe 1 und 2
- • Herstellung eines selbsterhärtenden Einbaumaterials
- • komplette Einbindung des zugegebenen Prozess-/Anmachwassers
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Ausführungsbeispiel
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Anhand eines Ausführungsbeispiels soll nachstehend die Erfindung näher erläutert werden.
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Dabei zeigen:
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1 – zeitliche Korrelation zwischen Temperaturentwicklung und Phasenabbau
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2 – Einfluss der WSA-Zumischung auf Reaktionsgeschwindigkeit und das erreichte Temperaturmaximum im Ablöschversuch
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Im Rahmen von aufwendigen und langfristigen Untersuchungen wurde gefunden, dass das Reaktionsverhalten von Braunkohlenfilteraschen durch Beimischung von kalkhaltigen Komponenten in Form von Wirbelschichtaschen zugegeben werden können, um das Reaktionsverhalten der Filterasche im Ablösch- und Reifeprozess im hohen Maße zu verbessern und zu beeinflussen. Dies ermöglicht es, Schwierigkeiten im Prozess einer zweistufigen Aufbereitung von Filterasche, die durch das stark verzögerte Reaktionsverhalten der Filterasche verursacht werden, gezielt gegenzusteuern.
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Wirbelschichtaschen (WSA) weisen oftmals einen hohen Freikalkgehalt auf, der im Gegensatz zum Freikalk der Filteraschen bereits innerhalb kurzer Zeit nach Zugabe von Wasser unter Wärmefreisetzung reagiert. Da Wirbelschichtaschen jedoch entstehungsbedingt große Anteile an nicht reaktiven Komponenten aufweisen, sind höhere Zugabemengen erforderlich, um einen gewünschten thermischen Effekt zu erreichen.
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Da bei Wirbelschichtanlagen ein kalkhaltiges Absorbermedium für die Entschwefelung direkt im Verbrennungsraum zugesetzt wird, stellen WSA ein Gemisch aus Asche, Entschwefelungsprodukt und restlichen Additiven dar. Dadurch weisen die WSA grundsätzlich hohe Gehalte an Freikalk und Schwefel (SO3) auf; zudem ist der Freikalk der WSA aufgrund der vergleichsweise geringen Verbrennungstemperaturen hydraulisch sehr reaktiv. Im Gegensatz zur Filterasche weisen die WSA geringe Anteile an Al2O3 und SiO2 auf.
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Durch die deutlich höheren Freikalkgehalte (zwischen 11 und 25 Ma-% je nach Herkunft des WSA) im Vergleich zur BFA (ca. 8 Ma-%) erhöht sich der Kalkgehalt im BFA-WSA-Gemisch.
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Die Zumischung von WSA in Mengenanteilen von 5 bis 25 Ma-% hat für die untersuchten BFA eine Beschleunigung der Ablöschreaktion und eine Anhebung des dabei erreichten Temperaturmaximums zur Folge. Dabei beeinflussen Menge und Art der WSA in unterschiedlich starkem Maße das Reaktionsvermögen der Filteraschen.
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Die Wasserdurchlässigkeit des Stabilisats muss einen Wert von < 5 × 10–9 m/s erfüllen.
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Aus den Untersuchungen zum Ablöschverhalten mitteldeutscher Filterasche im Gemisch mit anteilig zugesetzten WSA sind folgende Schlussfolgerungen ab leitbar:
- – Die mitteldeutsche BFA kann durch Zumischung von WSA im Bereich von 5 bis 20 Ma-% in ihrem Reaktionsverhalten verbessert werden.
- – Die höhere Reaktivität der WSA führt im Ablöschprozess des Aschegemisches zu einer Anhebung des Temperaturniveaus und zu einem beschleunigten Ablauf der Löschreaktion.
- – Das Ausmaß der Reaktionsbeschleunigung und Temperaturanhebung steigt mit zunehmendem WSA-Anteil im Gemisch.
- – Trotz höherer Ausgangsgehalte durch Zumischung von WSA verbleiben im Aschegemisch nach Abschluss des Ablösch- und Reifeprozesses keine höheren Restfreikalkgehalte.
- – Die Zumischung der WSA hat keinen negativen Einfluss auf die Ausbildung der Stabilisatfestigkeit und führt in nahezu allen Fällen zu gleichen bis höheren Druckfestigkeitswerten im Vergleich zum reinen BFA-Stabilisat ohne WSA-Zumischung.
- – In Bezug auf die Wasserdurchlässigkeit des Stabilisats bewegen sich die Werte der WSA-haltigen Versuchsserien im Bereich bzw. unterhalb jener des reinen BFA-Stabilisats.
- – Das Auslaugverhalten des Stabilisats wird durch die Zumischung von WSA in seiner Charakteristik nicht verändert. Bestimmend für den Umfang der Stofffreisetzungen sind die Qualität der BFA und die thermischen Lagerungsbedingungen entscheidend.
- – Die Wasserlagerungsbeständigkeit der Stabilisate zeigt eine stark ausgeprägte Abhängigkeit von der Menge an zugemischter WSA. Während bis zu einem WSA-Anteil von 15 Ma-% WSA-Zumischung keine Beeinträchtigung in der Beständigkeit erkennbar wird, zeigen die Stabilisate mit 25 Ma-% WSA-Zumischung starke Quellerscheinungen bis hin zum vollständigem Zerfall. Dieses Verhalten ist abhängig von der jeweiligen Herkunft der WSA.
- – Großtechnische Versuche zur Einbautechnologie haben gezeigt, dass ein lagenweiser Verschub des abgekippten Asche-Wasser-Gemisches mittels Planierraupe notwendig und ausreichend ist, um in Form eines terrassenförmig angelegten, die Überdeckung des eingebauten Materials gewährleistenden Aschenkörpers die materialtechnischen Anforderungen erfüllen.
- – Die Verfestigung des Asche-Wasser-Gemisches zu einem gesteinsähnlichen Festkörper (Stabilisat) führt neben der Freisetzung von erheblicher Wärmemengen in Verbindung mit den adiabatischen Eigenschaften großvolumiger Körper im Gefügeverband eines Großkörpers zu langzeitwirkenden hydrothermalen Temperaturbedingungen.
- – Die Temperaturverläufe insgesamt sind unabhängig von Messanordnung und Materialdimension durch zwei getrennte exotherme Effekte gekennzeichnet:
- – Der Erste, im Zeitintervall von 0 bis 24 Std. angesiedelt, läuft parallel mit dem vollständigen Umsatz der reaktiven Komponenten Anhydrit und Yeelenit unter intensiver Bildung von Ettringit.
- – Der Zweite, wesentlich beschleunigter verlaufende Effekt zwischen 24 und 60 Std. ist phasenanalytisch mit weiterer Ettringitbildung und Abbaureaktionen am Freikalk und Brownmillerit verbunden. Es wurde nachgewiesen, dass sich die Ettringitbildungen in beiden Temperatur-Phasen chemisch und hinsichtlich ihrer Korngröße erheblich voneinander unterschieden, so dass sie zwei unterschiedlichen Reaktionsmechanismen zugeordnet werden können.
- – Die Expansion selbst verläuft im Aschekörper nicht isotop, sie ist abhängig von den Auflastverhältnissen. Tieferliegende Bereiche des Monoblocks zeigen aufgrund größerer Materialzwängungen eine geringere Ausdehnung als an der Materialoberfläche.
- – Der Reaktionsmechanismus ist als eine Art Langzeit-in-situ-Hydrothermalsynthese zu charakterisieren, die zum einen neue Temperatur, Druck- und damit Stabilitätsverhältnisse für bereits existierende Strukturen schafft (hier: Ettringit), und zum anderen für Strukturen mit breiterem Stabilitätsbereich (hier: CASH- und CSH-Phasen) eine starke Beschleunigung der Kristallisationsvorgänge bewirkt.
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Der aus Stabilisat herzustellende Monokörper erreicht folgende Minimal-Werte:
- – Druckfestigkeit – 10 N/mm2
- – Wasserdurchlässigkeit – 5 × 10–9 n/s
- – Elutionswerte
- • Sulfat – 500 mg/l
- • Chlorid – 95 mg/l
- • Calcium – 600 mg/l.
