HAZEMAG – Ihr Recycling Partner. Ob Bauschutt- und Schlackenaufbereitung oder die Verwertung anderer Materialien wir leisten mit unserem ver- fahrenstechnischen Know-how und unseren hoch- wertigen Produkten und Dienstleistungen einen wesentlichen Beitrag zur optimalen Aufbereitung von verschiedensten Recycling Materialien.
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Schlackerecycling Bodenwaschanlage Mobile Recycling Anlage
Prallbrecher
Aufbereitung
Mechanische Aufbereitungsprozesse effizient gestalten
Erdogan Coskun, Marcel Bosling, Marius Dombrowa, Alexander Feil und Thomas Pretz
1. Siebklassierung in mechanischen Aufbereitungsanlagen ...408
2. Feststoffvolumenstrommessung mittels 3D-Lasertriangulation ...410
2.1. Methodik ...411
2.2. Ergebnisse ...417
3. Wirtschaftlichkeit ...423
4. Zusammenfassung ...425
5. Literatur ...426
Die Siebklassierung ist ein wesentlicher Trennprozess in mechanischen Aufbe- reitungsanlagen, der in der Verfahrenskette oftmals die erste Trennstufe darstellt.
Etwaige Einbußen in der Trenneffizienz von Siebmaschinen, z.B. verursacht durch suboptimale Beschickung oder ungünstige Parametrierung, können zu verschlech- terten Wirkungsgraden bei nachgeschalteten Trenn- und Sortierstufen führen.
Durch eine verringerte Siebeffizienz kann der gesamte Verfahrenswirkungsgrad einer Anlage herabgesenkt und somit die Qualität und Quantität der Outputströme negativ beeinflusst werden. Dies wirkt sich unmittelbar auf die Wirtschaftlichkeit von Anlagen aus. Demzufolge sind bei der Siebklassierung hohe Anforderungen in Bezug auf eine gleichbleibend hohe Trenneffizienz anzustreben.
Aus Planungen von Abfallaufbereitungsanlagen ist allgemein bekannt, dass eine wesentliche Ursache für schwankende Stoffströme in der mechanischen Aufbe- reitung deren unstetige Beschickung ist. In der Praxis schwer zu beherrschende Synchronisationsverluste sind in den Spezifika der betrieblichen Schnittstellen Abfallanlieferung und Anlagenbeschickung begründet: so erfolgt die Anlie- ferungen durch Sammelfahrzeuge nicht gleichmäßig im Tagesverlauf; auch Abfallmenge und -zusammensetzung sind nicht konstant, da diese von den örtlichen Sammelsystemen ebenso beeinflusst werden wie von der Jahreszeit.
Zudem reduziert sich die Nettobetriebszeit von Aufbereitungsanlagen in Fol- ge von Wartung, Reparatur und Störungen gegenüber der Bruttobetriebszeit.
Typische Verfügbarkeiten liegen für mechanische Aufbereitungsanlagen zwischen 50 bis 80 Prozent. Entsprechende Durchsatzreduzierungen führen entweder zu Über- lastbetrieb zwecks Realisierung des Nenndurchsatzes oder zu einem Minderdurchsatz.
Aufbereitung
In der Regel ist der Siebklassierung eine Zerkleinerungsstufe vorgeschaltet, die diskonti- nuierlich mit Baggern oder Radladern beschickt wird. Zur Ermittlung von Schwankun- gen im Input von Siebmaschinen und zur Verdeutlichung des Zusammenwirkens von Zerkleinerung und Siebklassierung auf die Siebeffizienz wurden Versuchskampagnen in der mechanischen Aufbereitung der mechanisch-biologischen Abfallbehandlungsanlage Großefehn im Landkreis Aurich durchgeführt. Dabei sollte die Vermutung verifiziert werden, dass eine konstante Materialstrombeschickung der Siebmaschine zu einem verbesserten Sieberfolg führt.
Durch kontinuierliche Feststoffvolumenstrommessungen mittels 3D-Lasertriangulation konnte sowohl die Beschickung als auch die Verteilung von Stoffströmen nach Passieren des Trennraumes ermittelt werden, wodurch für unterschiedliche Beschickungsszenarien deren Einfluss auf das Trennergebnis der Siebklassierung quantifiziert werden konnte.
Die Untersuchungsergebnisse lassen eine technischwirtschaftliche Prozessbewertung ebenso zu wie die Ableitung von Handlungsempfehlungen für einen verbesserten Anlagenbetrieb. Die Untersuchungen sind Bestandteil des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderten Anschlussvorhaben Energieeffiziente Abluftbehandlung 2 – EnAB 2 (FKZ: 03ET1378A-D).
1. Siebklassierung in mechanischen Aufbereitungsanlagen
Die Siebklassierung ist eine der Grundoperationen der mechanischen Aufbereitung.
Variable Siebwirkungsgrade beeinflussen die Separierung in nachgeschalteten Sor- tieraggregaten und können im ungünstigen Fall zu einer Herabsetzung des gesamten Verfahrenswirkungsgrads führen (Bild 1).
Siebklassierung Anlageninput
ηSieb
η1,1
η1,2
ηMA
Siebrückstand
Trenn- und Sortierprozesse
Sortier- rest 2 η2,1 η2,2
Pro- dukt2,1
Pro- dukt2,2
Produkt1,1
Produkt1,2
Sortierrest 1 Trenn- und
Sortierprozesse
Siebdurchgang
Zerkleinerung
Bild 1: Beispiel einer mechanischen Aufbereitungsanlage – MA
Aufbereitung
Im Gegensatz zu der Analysensiebung, bei der lediglich einzelne Chargen klassiert werden, erfolgt die Klassierung in Aufbereitungsanlagen in einem kontinuierlichen Prozess. Für die Bewertung des Sieberfolgs einer Klassierung kann die Trennschärfe κ oder/und der Siebwirkungsgrad η verwendet werden. Sowohl bei der Auswahl als auch bei der Auslegung von Siebmaschinen sind zahlreiche Einflussgrößen zu berücksich- tigen, die sich auf das Siebergebnis auswirken (Bild 2) [4].
Einflussgrößen auf das Siebergebnis bei der trockenen Siebklassierung
Siebmaschine
• Frequenz/Drehzahl
• Amplitude/mittlere Fallhöhe
• …
Siebfläche
• Maschenweite
• Maschenform
• Siebwerkstoff
• …
Siebgut
• Kornform
• Korngrößenverteilung
• Schüttdichte
• Durchsatz (m3/h)
• … Sieb- erfolg
Bild 2:
Einflussgrößen auf das Sieb- ergebnis bei der trockenen Sieb- klassierung
nach: Schmidt, P. et al.: Sieben und Sieb- maschinen – Grundlagen und Anwen- dung, Weinheim: Wiley-VCH Verlag;
2003
Zur Ermittlung der in Bild 2 dargestellten Einflussgrößen sind im Regelfall um- fangreiche Untersuchungen notwendig. Neben den technischen Eigenschaften einer Siebmaschine und den eingesetzten Bauformen der Siebflächen sowie den Material- eigenschaften des zu klassierenden Siebgutes hat der mengenspezifische Durchsatz erheblichen Einfluss auf das Siebergebnis einer Klassierung.
Wie in [2] ausgeführt, kann sowohl ein zu großer als auch ein zu geringer Durchsatz zu einem schlechteren Siebergebnis führen: geringe Durchsätze verursachen eine ungestör- te Beweglichkeit von Feingutpartikeln, wodurch die Verweilzeit im Trennraum reduziert und die Wahrscheinlichkeit einer Passage durch Sieböffnungen gemindert wird. Die Feingutpartikel springen aufgrund der fehlenden Behinderung durch andere Partikel zu schnell durch die Siebmaschine und werden in den Siebrückstand fehlausgetragen.
Eine Überfüllung beschränkt die Beweglichkeit einzelner Feinpartikel und hält diese in der Schüttung von Siebrückstandspartikeln fest, ohne dass eine Absiebung ermög- licht wird.
Nach den Erkenntnissen von Höffl aus [2] wäre demnach für den Anlagenbetrieb ein verbessertes Siebergebnis zu erreichen, wenn sowohl eine gleichmäßige Siebgutaufgabe (entsprechend den Nennlastbedingungen der Siebmaschine) realisiert als auch eine
Aufbereitung
stoßweise Beschickung vermieden werden würde. Bei mehreren Bilanzuntersuchungen im F+E-Vorhaben Energieeffiziente Abluftbehandlung – EnAB (FKZ: 03ET1053A-D) wurden Siebwirkungsgrade, die auch als Feinkornausbringen ausgedrückt werden können, in einer Größenordnung zwischen etwa 59 bis 91 Prozent ermittelt. Der An- teil des Siebdurchgangs schwankte ebenfalls zwischen 34 und 56 Ma.-%. Als mögliche Ursache hierfür wurde die diskontinuierliche Anlagenbeschickung und der daraus resultierende, schwankende Feststoffvolumenstrom vermutet.
Für die Auslegung von Siebmaschinen im Nennlastbereich sind u.a. folgende Punkte zu beachten:
Die maximalen Durchsätze werden seitens der Hersteller oftmals in der Einheit Massenstrom [t/h] angegeben. Je nach Materialart wird damit der maximale Feststoff- volumenstrom [m³/h], unter Annahme der Schüttdichte berechnet. Nur dieser ist ausschlaggebender Auslegungsparameter für Siebmaschinen.
Bei der Klassierung von Hausmüll werden zumeist Trommelsiebe als erste Trennstufe eingesetzt. Für ein gutes Siebergebnis sollte der Füllgrad in diesen Siebmaschinen bei etwa 15 Vol.-% liegen. [3] Etwaige Auswirkungen einer Überlast oder eines Min- derdurchsatzes auf das Siebergebnis werden in der Literatur jedoch nicht genauer quantifiziert.
Ein weiterer Parameter, der im Zusammenhang mit der Füllgrad steht, ist die Verweilzeit der Partikel im Trommelsieb. Die Literatur gibt je nach Siebgut unterschiedliche Ver- weilzeiten an, die sich in einem Schwankungsbereich von 30 bis zu 90 s erstrecken. [3]
Um die Schwankungsbreite des Inputvolumenstroms des Trommelsiebs aufzuzeigen, wurden im Anschlussvorhaben EnAB 2 Versuchskampagnen mit Volumenmessungen durchgeführt. Darüber hinaus wurden auch Verstetigungseffekte des Feststoffvolumen- stroms im Input des Trommelsiebs untersucht und bewertet.
2. Feststoffvolumenstrommessung mittels 3D-Lasertriangulation
Zur Online-Überwachung der Anlagenbeschickung wurden zwei Messaufbauten zur kontinuierlichen Volumenstrommessung mittels 3D-Lasertriangulation für die MBA Großefehn konzipiert. Mit den vor Ort erhobenen Daten sollte die Frage nach den Auswirkungen von Schwankungen im Volumenstrom der Siebaufgabe auf das Sieber- gebnis beantwortet werden.
Die MBA Großefehn hat eine jährliche Behandlungskapazität von etwa 60.000 Tonnen.
Die Abfälle aus dem Landkreis 1 werden bereits extern mechanisch vorbehandelt, so dass lediglich ein Siebdurchgang < 40 mm der biologischen Behandlungsstufe (BA) der MBA Großefehn zugeführt wird. Die Abfälle aus dem Landkreis 2 werden in der MBA sowohl mechanisch (MA) als auch biologisch behandelt.
Die MA der MBA Großefehn setzt sich aus einer Zerkleinerungsstufe, einer Klassierstufe und zwei Magnetscheidern, jeweils einer für die Materialströme aus dem Siebrück- stand und -durchgang, zusammen (Bild 3). Die Anlagenbeschickung erfolgt mittels
Aufbereitung
Radlader in den Zerkleinerer. Zu Versuchsbeginn in 2012 betrug die Maschenweite des Trommelsiebbelages durchgehend 40 mm. Im Zuge von Optimierungsmaßnah- men im abgeschlossenen F+E-Vorhaben Energieeffiziente Abluftbehandlung – EnAB (FKZ: 03ET1053A-D) wurden die Maschenweiten der letzten zwei Segmente Ende 2013 auf 60 mm vergrößert (alles Rundlochung). Seit dieser Umbaumaßnahme verfügt das Trommelsieb daher über einen gleitenden Siebschnitt.
Landkreis 1
(mechanisch vorbehandelt) Landkreis 2
Rottematerial
Mittelkalorische Fraktion
Fe-Metall- konzentrat MA
< 40 mm
Trommelsieb (gleitender Siebschnitt)
Magnetscheidung
Magnet- scheidung Aufgabe/Zerkleinerung
Bild 3: Mechanische Aufbereitung der MBA Großefehn
Nach der mechanischen Aufbereitung wird der Siebrückstand aus dem Landkreis 2 einer externen energetischen Verwertung zugeführt. Der Siebdurchgang wird gemeinsam mit dem Siebdurchgang aus dem Landkreis 1 in der biologischen Prozessstufe aerob behandelt und anschließend deponiert.
2.1. Methodik
Die Klassierung in der MBA Großefehn teilt den Abfallstrom in einen Siebrückstand und einen Siebdurchgang (Zweiguttrennung Bild 3). Die Quantität und Qualität der jeweiligen Stoffströme wird durch die Effizienz des Siebprozesses beeinflusst. Vermutet wurde, dass diese maßgeblich vor der Konstanz sowie dem Umfang des zugeführten Abfallvolumenstroms beeinflusst wird.
Zur Erfassung der Volumenströme der Siebaufgabe und des Siebrückstands wurden die vom I.A.R. konzipierten Volumenstrommessstände vor Ort installiert. Messstand 1 ermittelt den Volumenstrom der Siebaufgabe unmittelbar nach der Zerkleinerungsstufe, während Messstand 2 über dem Austragsband des Siebrückstandes platziert ist. Der schematische Aufbau ist dem Bild 4 zu entnehmen.
Aufbereitung
Bild 4: Versuchsaufbau Feststoffvolumenstrommessung MBA Großefehn
Die Volumenstrommessstände arbeiten nach dem Prinzip der Lasertriangulation.
Hierbei wird eine Laserlinie quer auf das Förderband projiziert und im Profil von einer Kamera aufgezeichnet.
Durchläuft ein Objekt den Projektionsbereich des Lasers, ändert sich das Linienprofil (Bild 5).
Hausmüll
Diskontinuierliche Aufgabe (Radlader)
Zerkleinerer
Trommelsieb
Siebdurchgang Rottematerial
Siebrückstand Mittelkalorische Fraktion
Hausmüll Diskontinuierliche Aufgabe
(Radlader) Zer- kleinerer v.1
v.z Trommelsieb
Siebdurchgang (Rottematerial)
Siebrückstand (Mittelkalorische
Fraktion)
v.
Laser Kamera
Abfall Höhe
Förderband
Förderrichtung
Bild 5: Aufbau und Funktionsweise Volumenstrommessstand
Aufbereitung
In Bild 6 sind Bildaufnahmen des Linienprofils von zwei Betriebszuständen dargestellt.
Dabei handelt sich um die Betriebszustände Leerlauf und Materialtransport.
Bild 6:
Linienprofile Förderband nach Zerkleinerung – Leerlauf und Betrieb mit Materialtransport Das Linienprofil des beförderten Abfallstroms wird in ein Höhenprofil überführt und anschließend in Volumenstromeinheiten (z.B.: l/s oder m³/h) umgerechnet. Die kleinste messbare Volumeneinheit hat die Abmessungen 2,2 x 6,9 x 7,8 mm (L x B x H). Für die Umrechnung wird eine vom I.A.R. entwickelte Software verwendet.
Vor Messbeginn war zunächst eine Höhenkalibrierung durchzuführen, für die zylin- derförmige Kalibrierkörper mit drei unterschiedlichen Größenabmessungen verwendet wurden. Insgesamt wurden fünf Betriebszustände, die das gesamte Spektrum an mög- lichen Betriebszuständen abdecken, simuliert. Diese Zustände sind wie folgt (Bild 7):
Durchgang 1: ausgeschaltetes Förderband, kein Material auf dem Förder- band, kein Einsatz von Kalibrierkörpern;
Durchgang 2: eingeschaltetes Förderband, kein Materialtransport, kein Einsatz von Kalibrierkörpern;
Durchgänge 3 – 5: eingeschaltetes Förderband, mit Materialtransport, Einsatz von Kalibrierkörpern mit H = 3, 6 und 9 cm.
Durchgang 1
Durchgang 2
Durchgang 3
Durchgang 4
Durchgang 5
Stillstand
Leerlauf H1 = 3 cm
H2 = 6 cm
H3 = 9 cm
d1 = d2 = d3
= 11,5 cm
Bild 7:
Höhenkalibrierung verschie- dener Betriebszustände mittels Prüfkörper definierter Abmes- sungen
Aufbereitung
Bild 8 zeigt den Volumenmessstand 1 in seiner räumlichen Anordnung zwischen Zerkleinerer und Trommelsieb (links) sowie beispielhaft einen Kalibrierungsvorgang (rechts).
Anlagenbeschickung mittels Radlader
Zerkleinerer
Laserlinie
Kalibrierkörper Trommelsieb
v.1
Bild 8: Volumenmessstand 1 (V1) zwischen Zerkleinerung und Trommelsieb (links) und Kali- brierkörper (rechts)
Zur Vermeidung von Fehlmessungen in Folge von äußeren Lichtquellen wie z.B. der Hallenbeleuchtung wurden die Volumenmessstände mittels einer lichtundurchlässigen Folie eingehaust (Bild 8, links).
Nach der Installation und Kalibrierung der Messstände wurde zunächst der Feststoff- volumenstrom im IST-Zustand über mehrere Wochen aufgezeichnet und ausgewertet, d.h. es wurde kein Einfluss auf die Anlagenbeschickung genommen.
Anschließend wurden zwei Versuchskampagnen (V1 und V2) mit definierter Auf- gabemenge durchgeführt. Die Anlage wurde in diesen beiden Kampagnen jeweils 20 Minuten beschickt. Das Bedienpersonal wurde angehalten, den Abfallstrom über die Aufgabedauer möglichst gleichmäßig auf den Zerkleinerer zu geben. Dazu wurden die notwendigen Schaufelspiele für die zuvor verwogenen Abfallmengen vorgegeben.
Im ersten Versuch V1 betrug die Abfallmenge 5 Tonnen; in V2 10 Tonnen. Pro Schau- felspiel konnten 0,8 bis 1,2 Tonnen Abfall aufgegeben werden, somit waren in V1 etwa fünf und in V2 etwa zehn Schaufelspiele notwendig. Bezogen auf eine Stunde ergeben sich daher Durchsätze von 15 t/h und 30 t/h (Bild 9).
Zur Ermittlung der Feststoffmengenbilanz wurden die gesamten Outputströme der MA über die Versuchsdauer verwogen. Das Trommelsieb weist seit Ende 2013 aufgrund des gleitenden Siebschnitts keine einheitliche Trennkorngröße auf, daher konnte der Siebwirkungsgrad in den nachfolgenden Kampagnen nicht mehr als Bewertungskri- terium für den Sieberfolg genutzt werden. Ausgehend davon wurde nach dem Umbau die Trennschärfe κ als Bewertungsgröße des Sieberfolgs verwendet.
Das Ergebnis einer Siebung kann mit einer Transferfunktion beschrieben werden. Die Funktion, mit der Trennschnitte bestimmt werden können, gibt ebenfalls Aufschluss über die Trennschärfe κ. Die Trennschärfe beschreibt die Art und Menge des Fehlaus- bringens von Partikeln oberhalb und unterhalb des Trennschnitts in die Produktströme (Unterkorn und Überkorn), d.h. sie beschreibt das Ausmaß dieser Fehlausträge. [1]
Aufbereitung
Die Transferfunktionen wurden nach Bunge [1] erstellt. Dazu wurden während der Versuchskampagnen in Anlehnung an die LAGA PN 98 repräsentative Proben aus Siebdurchgang und -rückstand entnommen. Anschließend wurden die Massenanteile in den jeweiligen Korngrößenbereichen für beide Stoffströme bestimmt. Hierzu wurde ein mobiles Trommelsieb des I.A.R. im Technikumsmaßstab verwendet.
Während die Proben aus dem Siebdurchgang bei den Sieböffnungsweiten 10, 20, 40, und 60 mm nachgesiebt wurden, wurden die Proben aus dem Siebrückstand bei 10, 20, 40, 60, 80, 100 und 120 mm nachgesiebt (Rundloch). Die Siebdauer betrug bei beiden Stoffströmen 60 Sekunden. Da es sich bei dem Siebprozess in der MBA Großefehn um eine Zweiguttrennung handelt, konnten mit den Massenanteilen in den Korngrö- ßenbereichen im Siebdurchgang und -rückstand und mit den Verteilungen aus der Feststoffmengenbilanz die jeweiligen Massenanteile in der Aufgabe berechnet werden.
Anschließend wurden für die beiden Versuchskampagnen die Transferfunktionen erstellt. Aus den Transferfunktionen konnten die Werte dT25 und dT75, die für die Be- rechnung der Trennschärfe κ notwendig sind, abgelesen werden. Die Trennschärfe κ wurde aus dem Quotient von dT25 und dT75 berechnet [1]. Je näher der Wert für κ an 1 liegt, desto schärfer ist die Trennung [4].
Siebdurchgang
Siebrückstand
Probenahme
Probenahme
Nachsiebung
Korngrößenverteilung
Feststoffmengenbilanz
Trennschärfe κ
d = 20 Minuten, gleichmäßige Aufgabe von 5 t in 20 Minuten
d = 20 Minuten, gleichmäßige Aufgabe von 10 t in 20 Minuten V1: 15 t/h V2: 30 t/h
Zerkleinerung
Siebklassierung
Bild 9: Vorgehensweise Verstetigung Abfallstrom – zwei Durchsätze
Aufbereitung
Mit der Kenntnis dieser Informationen können mögliche Zusammenhänge zwischen dem zugeführten Abfallvolumenstrom zum Trommelsieb und dem korrespondierenden Sieberfolg aufgezeigt werden.
Die Auswertung der Messdaten von den Volumenmessständen zeigte, dass sich alle Vo- lumenschwankungen in der Siebaufgabe unverändert auch im Siebrückstand abbilden, d.h. es erfolgt nahezu keine Vergleichmäßigung des Stoffstroms innerhalb der Trom- melsiebmaschine. Damit gerät die Gleichmäßigkeit, mit der das Trommelsieb beschickt wird, zur entscheidenden verfahrenstechnischen Größe. In diesem Zusammenhang wurde ein neues, dimensionsloses Bewertungskriterium (Gleichmäßigkeitsfaktor fc) für die Verstetigung von Abfallströmen entwickelt. Der Gleichmäßigkeitsfaktor fc wird aus dem Quotienten des 90-Perzentils und des 10-Perzentils der aufgezeichneten Messwerte der Feststoffvolumenmessung bzw. der daraus errechneten Volumina je Zeiteinheit berechnet. Damit fallen 80 Prozent aller Messwerte in die Auswertung, je 10 Prozent Über- und Unterschreitungen werden als verfahrensbedingte Schwankungen ausge- blendet. Der Gleichmäßigkeitsfaktor wird wie folgt errechnet:
(1) Treten zwischen V90 und V10 keine Schwankungen auf, errechnet sich der Faktor fc zu 1, was den bestmöglichen Fall für eine gleichmäßige Beschickung der Siebmaschine darstellt.
Zur Demonstration der Bewertung der Fördergleichmäßigkeit mittels des Gleich- mäßigkeitsfaktors sind nachfolgend zwei Zeiteinheiten extrahiert worden, die eine vollständige Stunde (Bild 10) und eine 10-Minuten-Sequenz (Bild 11) zeigen.
15:55 16:05 16:35
200
150
100
50
Feststoffvolumenstrom m3/h
15:45 0
Uhrzeit
16:15 16:25 16:45
Bild 10: Beispiel Feststoffvolumenstrommessung Input Trommelsieb, Hausmüll von 15:45 bis 16:45 Uhr mit großer Schwankungsbreite mit fc = 4,2
fc = v90 v10
Aufbereitung Bild 11: Beispiel Feststoffvolumenstrommessung Input Trommelsieb, Hausmüll von 13:00 bis
13:10 Uhr mit niedriger Schwankungsbreite mit fc = 1,6
In der ersten Sequenz ist beispielhaft eine Messung mit großer Schwankungsbreite dar- gestellt. Hier beträgt der Gleichmäßigkeitsfaktor etwa 4,2 (Bild 10). Die zweite Sequenz stellt hingegen eine geringe Schwankungsbreite im Feststoffvolumenstrom im Input des Trommelsiebs dar. Dabei beträgt der Gleichmäßigkeitsfaktor lediglich etwa 1,6.
Der Gleichmäßigkeitsfaktor wurde im weiteren Verlauf für die Beurteilung der Gleich- mäßigkeit des Feststoffvolumenstroms zum Trommelsieb im IST-Zustand und der Versuchskampagnen 1 und 2 verwendet.
Abschließend wurden, unter Berücksichtigung der großen Schwankungen im Anteil des Siebdurchgangs von 34 bis 59 Ma.-%, die wirtschaftlichen Auswirkungen von unsteti- ger Anlagenbeschickung und des daraus resultierenden geringeren Sieberfolgs für eine mechanisch-biologischen Abfallbehandlungsanlage mit einem Durchsatz von 50.000 t/a berechnet. Dabei wurde der Ansatz einer Lebensdaueranalyse gewählt. Die Auswirkungen einer Mengenverlagerung von 1 Ma.-% in den Siebdurchgang in Folge einer niedrigen Siebeffizienz werden über die gängige Nutzungsdauer von sechs Jahren für Dosier- und Zerkleinerungsmaschinen mit 1.600 Betriebsstunden im Jahr berechnet. Ziel dieser Vorgehensweise ist es, vorhandene Kosteneinsparpotenziale durch eine gleichmäßigere Anlagenbeschickung aufzuzeigen. Die Ergebnisse aus der Kostenkalkulation können somit als Entscheidungshilfe für zukünftige Investition genutzt werden.
2.2. Ergebnisse
Im IST-Zustand, bei dem kein Einfluss auf die Anlagenbeschickung genommen wurde, konnten erhebliche Schwankungen im Feststoffvolumenstrom zum Trommelsieb festge- stellt werden. In Bild 12 ist beispielhaft ein Tagesverlauf des Inputvolumenstroms zum
200
150
100
50
Feststoffvolumenstrom m3/h
13:00 0
Uhrzeit
13:05 13:10
Aufbereitung
Trommelsieb dargestellt. Bei der Darstellung wurden Leerlaufphasen und Stillstände, die mit einem Schwellenwert von kleiner 15 m³/h definiert sind, nicht berücksichtigt.
Der Schwellenwert 15 m³/h wurde gewählt, um Fehlerquellen im Leerlauf wie z.B.
Videokassettenfilme und Anhaftungen, die eine minimale Bandbelegung suggerieren, auszuschließen. Der Schwellenwert entspricht einer mittleren Bandbelegungshöhe von etwa einem cm.
11:00 12:30 17:00
250
200
150
100
50
Feststoffvolumenstrom m3/h
9:30 0
Uhrzeit 14:00 15:30
11:30 13:00 17:30
10:0010:30 12:00 13:30 14:3015:00 16:0016:30
Schwellenwert 15 m3/h
Input Trommelsieb – Hausmüll, 1 Arbeitstag, ohne Leerlauf
Bild 12: Tagesverlauf Feststoffvolumenstrom > 15 m³/h im Input Trommelsieb – IST-Zustand Bild 12 ist zu entnehmen, dass der Feststoffvolumenstrom an diesem Tag zwischen 16 und 202 m³/h schwankte. Der Median betrug 81 m³/h. Die Schwankungsbreite zeigt auf, dass das Trommelsieb im IST-Zustand diskontinuierlich und stoßweise beschickt wird.
Insbesondere die stoßweise Beschickung des Trommelsiebs ist im Feststoffvolumenstrom des Siebrückstandes, in etwas abgeschwächter Form, wieder vorzufinden. In Bild 13 sind die Feststoffvolumenströme im Input des Trommelsiebs und im Siebrückstand für einen Zeitraum von vier Stunden dargestellt.
Bei dem Vergleich der Feststoffvolumenströme wurde für die Förderstrecken zwischen den beiden Messständen und der Verweilzeit im Trommelsieb eine Gesamtdauer von 120 Sekunden angenommen (Bild 4). Bild 13 zeigt, dass Schwankungen im Input des Trommelsiebs mit zeitlichem Versatz im Siebrückstand auftreten. Dies bedeutet, dass sich Effekte in Folge einer diskontinuierlichen Beschickung des Trommelsiebs verstärkt auf den Siebrückstand auswirken. Der Feststoffvolumenstrom im Siebrückstand ist in der Regel kleiner als der im Input des Trommelsiebs. Je nach Auflockerungsgrad im Trommelsieb kann es jedoch auch dazu kommen, dass der Siebrückstand ein höheres
Aufbereitung
Volumen als der Inputstrom aufweist (15:00 Uhr). Eine weitere Ursache dafür kann der schwallartige Austrag des Trommelsiebs sein, welcher durch eine diskontinuierliche Beschickung begünstigt wird.
Feststoffvolumenstrom m3/h
250
200
150
100
50
012:30
Uhrzeit
14:00 15:30
13:00 13:30 14:30 15:00 16:00 16:30
Input Trommelsieb Siebrückstand Annahme:
tMessstände=120 s .. v = ?v = ?SiebdurchgangAuflockerung
Input Trommelsieb und Siebrückstand – Hausmüll, alle Betriebszustände
Bild 13: Vergleich Feststoffvolumenströme Input Trommelsieb und Siebrückstand, 12:30 bis 16:30 Uhr
Anteil bezogen auf Zeit
% 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
-100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100 >100
Median 81 m3/h
Abweichung vom Median %
Bild 14: Abweichung Feststoffvolumenstrom im Input des Trommelsiebs vom Median, ohne Leerlauf und Stillstand – IST-Zustand (1 Arbeitstag)
Aufbereitung
In Bild 14 sind die Abweichungen der Feststoffvolumenströme vom Medianwert von 81 m³/h und deren relativer Zeitdauer dargestellt. Zur Verdeutlichung der Abweichun- gen wurden die erfassten Volumina in Bereiche geclustert (Bild 14).
Während in den positiven Abweichungsbereichen des Medians der Anteil relativ gleichmäßig über die Bereiche verteilt ist, ist im negativen Bereich ein großer Anteil im Bereich zwischen -50 Prozent und -75 Prozent vorzufinden. Bezogen auf die Ge- samtdauer der Feststoffvolumenstrommessung lagen etwa 17 Prozent der Messungen in diesem Bereich. Die Betriebsdauer betrug, ohne Berücksichtigung von Leerläufen und Stillständen (V< 15 m³/h) an diesem Tag etwa 4 Stunden, d.h. der Feststoffvolu- menstrom wich etwa 40 Minuten im Bereich von -50 Prozent und -75 Prozent vom Median ab.
Zusätzlich zu der zeitanteiligen Betrachtung sind die in den Variationsbereichen be- förderten Feststoffvolumina von größerer Bedeutung. Die dazugehörige Auswertung ist in Bild 15 dargestellt.
Volumenstrom-Anteil am Gesamtfeststoffvolumenstrom
% 70 60 50 40 30 20 10 0
Feststoffvolumenstromklasse m3/h
0 bis 25 25 bis 50 50 bis 75 75 bis 100 > 100
Abweichungsbereich Median -50 % bis -75 %
Median 81 m3/h
Bild 15: Feststoffvolumenstrom im Input des Trommelsiebs bezogen auf Feststoffvolumenstrom eines Arbeitstages, ohne Leerlauf und Stillstand – IST-Zustand
Bild 15 zeigt, dass 63 Vol.-% des an diesem Arbeitstag klassierten Abfallvolumenstroms im Schwankungsbereich > 100 behandelt wurde. Im zeitanteilig größten Schwankungs- bereichs vom Median (50 Prozent bis -75 Prozent in Bild 14) wurden deutlich weniger als 10 Vol.-% des Abfallvolumenstroms der Klassierung zugeführt.
Ausgehend von diesen unbefriedigenden Ergebnissen wurden in den nachfolgenden Versuchskampagnen Beschickungsvorgaben an das Bedienpersonal des Radladers er- stellt, um die Schwankungsbreite im Feststoffvolumenstrom zum Trommelsieb gezielt einzuengen (Bild 16).
.
Aufbereitung Bild 16: Vergleich Schwankungsbreiten
Insbesondere die zweite Versuchskampagne (V2) verdeutlicht, dass bei einem Durch- satz von 30 t/h ein vergleichbarer Median mit geringerer Schwankungsbreite zum IST-Zustand realisiert werden konnte. Der Median aus dem ersten Versuch (V1) fiel erwartungsgemäß mit 48 m³/h geringer aus als im IST-Zustand und in V2. Dies ist auf den niedrigeren Durchsatz in V1 zurückzuführen.
Die Gleichmäßigkeitsfaktoren fc sind nachfolgend aufgeführt.
• IST-Zustand: 5,8
• V1: 2,8
• V2: 2,0
Demnach konnte im zweiten Versuch die größte Gleichmäßigkeit in der Beschickung des Trommelsiebs erreicht werden. Der IST-Zustand weist erwartungsgemäß die ungünstigste Gleichmäßigkeit auf, da hier kein Einfluss auf die Anlagenbeschickung genommen wurde.
Die Ergebnisse aus den Untersuchungen zur Feststoffmengenbilanzierung und zum Trennschärfe κ sind in Bild 17 zusammengefasst. In V1 stellte sich trotz des niedrige- ren Durchsatzes eine niedrigere Trennschärfe ein. Daraus resultiert ein mit 62 Ma.-%
Feststoffvolumenströme Input Trommelsieb – Hausmüll 250
200
150
100
50
0
M=?
keine Vorgaben bei Beschickung
M=15 t/h definierte Beschickung
M=30 t/h definierte Beschickung
Schwellenwert 15 m3/h
10 Quantil Minimum Median Maximum 90 Quantil Mittelwert Feststoffvolumenstrom
m3/h
IST V1 V2
.
. .
Aufbereitung
etwas geringerer Anteil im Siebdurchgang. Im zweiten Versuch, bei dem ein doppelt so hoher Durchsatz eingestellt wurde, betrug der Massenanteil des Siebdurchgangs 64 Ma.-% und die Trennschärfe κ = 0,63.
Trennschärfe
κ 1,0
0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0
κ = 0,61 κ = 0,63
V1 V2
. .
M = 15 t/h Anteil Siebdurchgang
62 Ma.-%
M = 30 t/h Anteil Siebdurchgang
64 Ma.-%
Bild 17: Trennerfolg des Trommelsiebs der MBA Großefehn bei Hausmüll – unterschiedliche Durchsätze
Die Auswertung in Bild 17 verdeutlicht, dass sich ein Minderdurchsatz ebenfalls negativ auf den Sieberfolg des Trommelsiebs auswirken kann. Es gilt demnach, einen Durchsatzbereich einzuhalten, bei dem Minder- und Überlastphasen weitgehend vermieden werden.
Zum Vergleich wird auf den Anteil des Siebdurchgangs der MBA Großefehn im Jahres- mittel 2014 verwiesen, der bei etwa 48 Ma.-% lag. Der in der Anlage angelieferte Haus- müll unterliegt sowohl qualitativen als auch Mengenschwankungen, die auf zahlreiche Einflussfaktoren zurückzuführen sind. Dazu zählen u.a. Jahreszeit und Sammelsystem.
Die jahreszeitlichen Schwankungen sind in der MBA Großefehn vergleichsweise gering (Bild 18).
Zu den im Jahr 2016 durchgeführten Versuchen V1 und V2 lagen vergleichbare abfall- wirtschaftliche Bedingungen vor, sodass die erhebliche Abweichung des Massenanteils des Siebdurchgangs vermutlich auf eine geringere Siebeffizienz zurückzuführen ist.
Die Ergebnisse verdeutlichen den hohen Stellenwert der Siebeffizienz, die wiederum maßgeblich von der Beschickung abhängig ist.
Aufbereitung
3. Wirtschaftlichkeit
Eine niedrige Siebeffizienz in mechanischen Aufbereitungsanlagen kann dazu führen, dass Qualitätsanforderungen der Outputströme nicht mehr eingehalten werden und diese so einem Verwertungsweg zugeführt werden müssen, der zusätzliche Kosten ver- ursacht. In mechanisch-biologischen Abfallbehandlungsanlagen, bei der die Klassierung die einzige Stoffstromtrennung darstellt, führt sie zu einer ungewollten Mengenverlage- rung von organikreichem Feinkorn in den heizwertreichen Siebrückstand, die oftmals mit erhöhten Entsorgungskosten verbunden ist. In der Regel sind die Entsorgungs- kosten für die energetische Verwertung (MVA) höher als die Behandlungskosten der biologischen Behandlungsstufe (BA). Daher wird versucht, unter Berücksichtigung der Grenzwerte der Deponieverordnung, den Anteil des Siebdurchgangs, der biologisch behandelt wird, zu erhöhen.
Zur Verdeutlichung der Auswirkungen einer einprozentigen Massenverlagerung hin zum Siebdurchgang wurde beispielhaft eine Kostenkalkulation für eine MBA mit einem jährlichen Durchsatz von 50.000 Tonnen über eine Lebensdauer von 6 Jahren (∑ 300.000 Tonnen) erstellt. Dabei wurden vier Szenarien mit unterschiedlichen Differenzen von Entsorgungskosten für die MVA zu Behandlungskosten in der BA, untersucht (Bild 19 und Bild 20).
Monat 10
8 6 4 2 0 -2 -4 -6 -8 -10
Abweichung vom Mittelwert Ma.-%
Januar Februar März April Mai Juni Juli August
Septembe r
Oktobe r
Novembe r Dezembe
r
Bild 18: Hausmüllanlieferung in 2015 – Abweichung vom Mittelwert, normiert auf 252 Abfuhrtage
Aufbereitung
Bild 19: Vorgehensweise Kostenkalkulation Hausmüll
300.000 t (6 Jahre a 50.000 t/a)
Siebrückstand
1) 10 EUR/t 2) 20 EUR/t 3) 30 EUR/t 4) 40 EUR/t
Entsorgungskosten MVA KMVA
Behandlungskosten BA KBA
Siebdurchgang
KMVA – KBA =
mit KMVA > KBA
+ 1 Ma.-%
Siebklassierung Zerkleinerung
Bild 20: Kosteneinsparung durch Verlagerung von 1 Ma.-% hin zum Siebdurchgang über einen Betrachtungszeitraum von 6 Jahren
vier Szenarien – 300.000 t (6 Jahre a 50.000 t/a) Kosteneinsparung
EUR 120.000
100.000
80.000
60.000
40.000
20.000
0 1) ∆ 10 EUR/t 2) ∆ 20 EUR/t 3) ∆ 30 EUR/t 4) ∆ 40 EUR/t Szenarien
Aufbereitung
Dem Bild 20 ist zu entnehmen, dass eine Verlagerung von 1 Ma.-% hin zum Siebdurch- gang, die durch eine bessere Trennschärfe erreicht werden kann, in dem betrachteten Zeitraum zu Kosteneinsparungen von 30.000 EUR (S1) bis 120.000 EUR (S4) führen kann. Umgekehrt gilt, dass eine Verlagerung von 1 Ma.-% in den Siebrückstand zu Mehrkosten führt. Bei Berücksichtigung des hier aufgezeigten Kostenpotenzials durch Mengenverlagerungen sind Siebprozesse in MBA von besonderer Bedeutung, da diese sich erheblich auf den wirtschaftlichen Betrieb auswirken.
4. Zusammenfassung
Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen auf, dass in mechanischen Aufbereitungs- anlagen ohne Verstetigungseinrichtungen des Abfallinputvolumenstroms erhebliche Schwankungen im Feststoffvolumenstrom auftreten können. Schwankungen, verursacht durch eine diskontinuierliche Beschickung von Zerkleinerungsaggregaten mittels Mo- biltechnik, werden an nachgeschaltete Prozessstufen weitergegeben. In der Konsequenz erfolgt der Siebprozess, als erste und häufig wichtigste Trennstufe, häufig nur subopti- mal. Insbesondere schwallartige Beschickungsvorgänge im Input eines Trommelsiebs führen zu einem erhöhten Massenaustrag in den Siebrückstand.
Die vorliegende Untersuchung zur Gleichmäßigkeit von Beschickungsvorgängen in Abfallaufbereitungsanlagen basiert auf dem Einsatz einer robusten Volumenstrommess- technik. Die gewählte Messmethode mit Lasertriangulation hat sich für den Einsatz in der rauen Umgebung einer mechanischen Aufbereitungsanlage für Hausmüll im Langzeitversuch bewährt. Mittels des entwickelten Gleichmäßigkeitsfaktors fc kann die Verstetigung von Abfallvolumenströmen bewertet werden.
Anhand einer Kostenkalkulation wird zudem aufgezeigt, dass eine kontinuierliche Be- schickung der Siebmaschine im bestimmungsgemäßen Bereich durch den verbesserten Trennerfolg zu beträchtlichen Kosteneinsparungen führen kann. Unter Berücksich- tigung der teilweise erheblichen Unterschiede der Massenanteile des Siebdurchgangs einer MBA wird Handlungsbedarf erkennbar, durch betriebliche oder technische Maßnahmen für eine Verstetigung der Materialbeaufschlagung zu sorgen.
Um den Einfluss von Zerkleinerungsaggregaten auf die Verstetigung eines Abfallvolu- menstroms quantifizieren zu können, sind im Forschungsvorhaben weitere Untersu- chungen mit unterschiedlichen, handelsüblichen Zerkleinerern vorgesehen.
Danksagung Das dieser Veröffentlichung zugrundeliegende Anschlussvorhaben Energieeffiziente Abluftbehandlung 2 – EnAB 2 wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) unter dem Förderkennzeichen 03ET1378A-D gefördert. Die Laufzeit des Vorhabens beträgt zwei Jahre. Das Vorhaben startete im Dezember 2015 und endet im November 2017.
Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren.
Aufbereitung
5. Literatur
[1] Bunge, R.: Mechanische Aufbereitung – Primär- und Sekundärrohstoffe, Weinheim: Wiley-VCH Verlag; 1. Auflage, 2012
[2] Höffl, K.: Zerkleinerungs- und Klassiermaschinen, Berlin: Springer Verlag, 1986
[3] Kranert, M. et al.: Einführung in die Abfallwirtschaft, Wiesbaden: Vieweg + Teubner; 4. Auflage, 2010
[4] Schmidt, P. et al.: Sieben und Siebmaschinen – Grundlagen und Anwendung, Weinheim: Wiley- VCH Verlag; 2003
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.dnb.de abrufbar
Karl J. Thomé-Kozmiensky, Daniel Goldmann (Hrsg.):
Recycling und Rohstoffe – Band 10
ISBN 978-3-944310-34-3 TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky
Copyright: Elisabeth Thomé-Kozmiensky, M.Sc., Dr.-Ing. Stephanie Thiel Alle Rechte vorbehalten
Verlag: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky • Neuruppin 2017
Redaktion und Lektorat: Dr.-Ing. Stephanie Thiel, Elisabeth Thomé-Kozmiensky, M.Sc.
Erfassung und Layout: Claudia Naumann-Deppe, Janin Burbott-Seidel, Anne Kuhlo, Sandra Peters, Ginette Teske, Gabi Spiegel, Cordula Müller
Druck: Universal Medien GmbH, München
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