Projekt 13688/01

Systematische Untersuchung des Korrosionsverhaltens verschiedener anorganischer Bindesysteme unter Müllverbrennungsbedingungen mit Berücksichtigung zusätzlicher Schutzmaßnahmen

Projektträger

DIFK Deutsches Institut für Feuerfest und Keramik GmbH
Rheinstr. 58
56203 Höhr-Grenzhausen
Telefon: 02624 9433-200

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

In Anlagen zur thermischen Entsorgung von Hausmüll treten Korrosionsphänomene an der Kesselwand auf, die zu Störungen im Entsorgungszyklus führen und die Stillstandszeiten erhöhen. Als Grund wird die Infiltration heißer Ofengase angesehen, die mit chemisch aggressiven Inhaltstoffen das anorganische Bindesystem der feuerfesten Auskleidung angreifen und nachteilig verändern.
Ziel des Projektes soll sein, die Mechanismen der Infiltration und die Korrosionsphänomene unter Pra-xisbedingungen zu erkennen und zu deuten, um im Sinne einer umweltverträglichen und sicheren Entsorgung Vorschläge zur Modifizierung geeigneter Bindesysteme machen zu können.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDer Verlauf dieses Projektes soll es ermöglichen, ohne Einsatz eines Modells unter Praxisbedingungen Datenmaterial über anorganische Feuerfestbindesysteme zu bekommen.
Die Konstruktion einer wassergekühlten Lanze mit unterschiedlich verkitteten Testsegmenten aus nitridgebundenem SiC soll während des Betriebes in der MVA Schwandorf eingesetzt werden. Während etwa 6 Monaten sollen anorganische Bindesysteme auf Basis SiC aus der Produktpalette zweier Feuerfesthersteller der korrosiven Ofenatmosphäre bei etwa 800°C ausgesetzt werden. Im gleichen zeitlichen Rahmen sollen mit Herstellern von Bindesystemen Maßnahmen zur Modifizierung erfolgen. Es soll erreicht werden, das thermische und chemische Verhalten so zu stabilisieren, dass die Infiltration und damit die Korrosion im Kittfugenbereich und an der metallischen Kesselwand möglichst unterbunden wird. Laborversuche im DIFK werden ergänzende Angaben zum Druckerweichen liefern, um Zusammenhänge ausreichend interpretieren zu können.
Nach Abschluss der Praxisversuche folgt die chemische, mineralogische und keramographische Untersuchung von Proben. Die Ergebnisse nützen dem sicheren und kontinuierlichen Betrieb von MVAs und tragen dazu bei, umweltgerechte Entsorgung zu betreiben, Stillstände zu vermeiden und Ressourcen zu schonen. Sie helfen auch, das Vertrauen der Anlieger an einem Entsorgungsstandort durch technische Modifizierungen der thermischen Entsorgung zu erhalten.


Ergebnisse und Diskussion

Um die Forderungen der 17. BimSchV von 1990 einzuhalten, ist die Verweilzeit der Rauchgase bei einer Verbrennungstemperatur >850°C bei 6% Sauerstoff auf >2 Sekunden festgesetzt worden. Ab Mitte 2005 sieht die Technische Anleitung Siedlungsabfall nur noch die Deponierung von Reststoffen mit einem Glühverlust <5Gew.-% vor.
SiC-haltige Werkstoffe haben sich besonders bewährt, da sie den thermischen, chemischen und wärme-technischen Anforderungen im Kessel aufgrund ihrer werkstoffspezifischen Eigenschaften am besten entsprechen. Daher sind wasserglas- und phosphatgebundene handelsübliche SiC-Produkte und Modifizierungen durch Verwendung von Porosierungsmitteln, Engobierungen, Kornmodifizierungen und chemischen Zusätzen in diesem Praxistest verwendet worden.
Die Untersuchungen liefern nach dem Test die folgenden Ergebnisse: In den Staubablagerungen auf den Feuerfestwerkstoffen finden sich etwa 35% CaO und bis zu 11Gew.-% Alkalioxide. Chloride und Sulfate erreichen zusammen etwa 35Gew.-%.
In den wasserglasgebundenen Bindesystemen werden besonders reaktive Bestandteile aus dem Rauchgas wie Na, K und Ca im Bereich einer Oberflächenbrennhaut und einer Engobe merklich zurückgehalten. In den Poren kondensieren Salzverbindungen mit abnehmender Temperatur und verdichten dadurch die Fuge. Mit zunehmender Porosität steigt auch der Gehalt der infiltrierten Rauchgasbestandteile im Bindesystem an.
Die phosphatgebundenen Bindesysteme lassen ähnliche Infiltrationen wie die wasserglasgebundenen zu, haben aber kein so ausgeprägtes Bindevermögen. Durch einen dichteren und feinporigen Gefügeaufbau wird der Rauchgasinfiltration eine zusätzliche Barriere vorgeschoben. In Laborversuchen ist die Beständigkeit von Stein-Fugenkitt-Verbunden gegen Druckerweichen bei Temperaturen bis über 1400°C geprüft worden. Bis zu etwa 700°C ist das Verhalten aller Bindesysteme vergleichbar. Darüber hinaus machen sich spezielle Einflüsse aus der Konzeption des jeweiligen Bindesystems bemerkbar.
Diese Ergebnisse lassen den Schluß zu, dass der Infiltrationswiderstand der wasserglasgebundenen Bindesysteme vor allem durch Porosierungsmittel und Engobierungen direkt beeinflusst wird. Schädliche Rauchgasbestandteile werden in der Engobe und im Bereich der Brennhaut merklich zurückgehalten. Gröbere Poren jedoch lassen Salzverbindungen tief in die Fuge eindringen, bis sie mit abnehmender Temperatur kondensieren. Die phosphatgebundenen Bindesysteme verhalten sich trotz der vorgenommenen unterschiedlichen Modifizierungen sehr ähnlich. Sie enthalten keine chemisch reaktiven Bestandteile, die ein so großes Bindevermögen wie die wasserglasgebundenen Systeme aufweisen.
Zur Modifizierung der anorganischen Bindesysteme eignen sich werkstoffspezifische und konstruktive Maßnahmen. In der wasserglasgebundenen SiC-Masse und dem gefügemäßig dicht aufgebauten Bindesystem liegt ein sehr großes Potential für einen optimalen Infiltrationswiderstand. Feine und feinste Poren dienen als Diffusionsbremse. Das Aufbringen einer Engobe verleiht dem System eine Schutzschicht gegen Rauchgasbestandteile. Zu den konstruktiv möglichen Maßnahmen zählen das Hinterfüllen bzw. Hintergießen der Platten mit freifließenden Massen, die Konstruktion mit hinterlüfteten Platten, die Beschichtung der Rohrwand mit einer Schutzmasse. Der Beitrag dieses Entwicklungsprojektes für die Entlastung der Umwelt wird in der Schonung der Ressourcen und der Verringerung des Primärenergieverbrauchs, der Sicherung und Verbesserung der thermischen Entsorgung, der mengenmäßigen Verringerung von Ausbruchmaterial aus MVAs, der Rückgewinnung von Energie aus dem Wärmetauscher und der umweltfreundlichen Energieerzeugung bestehen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Projektpartner aus den beteiligten Industrieunternehmen sind über die Arbeiten und die Resultate detailliert unterrichtet und nutzen sie zur Produktoptimierung, zur Information und Öffentlichkeitsarbeit. DIFK bereitet eine Veröffentlichung in der Keramischen Zeitschrift vor und gibt Interessierten Auskunft.


Fazit

Durch die Zusammenarbeit von Rohstoffherstellen, Feuerfestproduzenten, Anlagenbauern und Entsorgern ist es gelungen, die Korrosionsphänomene in den Bindesystemen der feuerfesten Auskleidung zu erkennen und zu interpretieren. Hieraus ergeben sich gezielte Möglichkeiten zur Modifizierung der Feuerfestprodukte und der Anlagenkonzeption, die nun von den Industrieunternehmen in eigener Regie am Markt umgesetzt werden. Die umweltrelevanten Gesetzesanforderungen werden erfüllt. Das Projekt hat somit zum Ziel geführt und ist erfolgreich abgeschlossen worden.