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Disruptive substances and the burning behaviour of solid alternative fuels

Störstoffe und Brennverhalten von festen Ersatzbrennstoffen

Substances perturbatrices et compor-tement de cuisson des combustibles de substitution solides

Sustancias nocivas y comportamiento de los combustibles alternativos sólidos

Sekundärbrennstoff für die Zementindustrie

Hubert BaierAlternative Resources, Polysius AG, Beckum/Germany

Zusammenfassung: Mit steigendem Ein-satzwunsch von Ersatzbrennstoffen (EBS) werden die Zementdrehrohröfen auf Calcinatoren und Vielstoffbrenner umge-rüstet. Um aber die Einsatzraten produkt- und emissionsneutral weiter steigern zu können, müssen EBS-Herstellung und Verfahrenstechnik noch besser aufeinan-der abgestimmt werden. Dazu gehört, dass die Ersatzbrennstoffe nicht nur chemisch nach den Vorgaben des Emissionsschutzes, sondern auch nach den Vorgaben des thermischen Verwertungsverfahrens cha-rakterisiert und entsprechend aufbereitet werden müssen. Im vorliegenden Artikel wird über Vorarbeiten und Tests mit der sog. Wirbelstrommühle berichtet. Erste Untersuchungen an verschiedenen EBS-Mehlen zeigten Zünd- und Umsetzungs-geschwindigkeiten, wie sie bisher nur von Stein- bzw. Braunkohlenstäuben bekannt sind.

Résumé: L’accroissement de la demande en combustibles de substitution (EBS) implique la conversion des fours rotatifs à ciment aux calcinateurs et brûleurs multi-combustible. Or, pour pouvoir augmenter les taux d’alimentation sans incidences né-gatives sur les produits et émissions, la pro-duction des combustibles de substitution et la technologie des procédés doivent encore mieux être adaptées les unes aux autres. Pour cela, les combustibles de substitution ne doivent pas seulement être définis du point de vue chimique en fonction des ré-glementations d’émission, mais également en fonction des consignes du procédé de traitement thermique utilisé et préparés en conséquence. Le présent article traite des travaux préliminaires et tests effectués sur broyeur à turbulence. De premiers exa-mens réalisés avec différents combustibles de substitution pulvérisés ont montré des vitesses d’allumage et de transformation qui n’ont été obtenues jusqu’à présent qu’avec le charbon et la lignite pulvérisés.

Resumen: Con el deseo creciente de em-plear combustibles alternativos, se equipan las líneas de horno con calcinadores y que-madores para múltiples combustibles. Sin embargo, es necesario armonizar en mayor medida el tratamiento de los combusti-bles alternativos y la tecnología de proce-so para incrementar la tasa de sustitución sin afectar a la capacidad de producción y las emisiones. Los combustibles alternati-vos deben contar con unas características químicas y un procesamiento adecuado, en concordancia con los objetivos en pre-vención de emisiones y con el proceso de utilización térmico. El presente artículo describe el trabajo preparatorio y los ensa-yos del denominado molino de corriente en remolino. Las primeras investigaciones sobre diversas harinas de combustibles al-ternativos mostraron unas velocidades de ignición y conversión hasta ahora sólo co-nocidas en la hulla y el lignito.

Solid alternative fuel for the cement industry

Summary: The increasing requirement to use alternative fuels means that rotary cement kilns are being converted to the use of calcin-ers and multi-fuel burners. However, the production of alternative fuels and the process technology must be matched even better to one another if the application rates are to be increased further without affecting the product or the emissions. This includes the fact that the alternative fuels must be characterized and appropriately processed not only chemically in accordance with the requirements of pollution control but also in accordance with the objectives of the thermal utilization process. This article describes the preliminary work and tests involved with the air-whirl-mill. Initial investigations into various pulverized alternative fuels have shown speeds of ignition and conversion that have previously been found only with pulverized coal and lignite.

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1 Basic principlesDue to the continuing fluctuations in the price of energy and the debate on sustainable conservation of resources, the Ger-man cement industry has managed to decrease its overall en-ergy demand continuously through technical optimization [1]. It has also increased the use of alternative fuels still further un-der pressure from German policy with the implementation of the ban on landfilling untreated waste (Technical Instructions) in 2005. After the first oil crisis there was initially a changeover from oil to coal and, because of their high energy contents and relative ease of handling, also to waste oil and used tyres. These were followed later by solvents, fullers’s earth, and oil sludges. Solid alternative fuels that resembled lignite and were treated sepa-rately from industrial wastes from specific production processes were introduced via the main burner or calciner. When it was found that this minor use of separately treated wastes as solid alternative fuels did not affect either the plant’s immission bal-ance or the process technology and product quality the waste were also allowed to be treated in mixed manner. The range of alternative fuels was completed later by pretreated high calorific fractions out of municipal waste, sewage sludge and bone meal [2]. By 2008 the proportion of secondary fuels of the overall thermal demand in the German cement industry had increased up to an average of 54.4 % (Fig. 1). It became obvious that particles of inhomogeneous fuel mix-tures followed different trajectories, especially when introduced via the main burner, and also burnt differently. Thin plastic film with a large surface area is consumed while it is suspended in the flame. But the residual coke of particulate matter forms the tip of the flame or even passes through it and leads to clinker burning under reducing conditions. Through phenomenological tests and analytical classifying of different fuel mixtures it is possible to obtain information about the flight behaviour and the quality of the treating, the starting waste composition and the suitability of the subsequent fuel mixture for the intended burning position. The results obtained provide indications of the subsequent combustion behaviour, although, of course, the geometry, density and particle shape can change dynamically and aggravate the negative factors. However, according to Zelkowski [3] such mixtures still always showed burnout times of between 1.5 and 3 s.

1 GrundlagenAufgrund der anhaltenden Energiepreisschwankungen und der Diskussionen um nachhaltigen Ressourcenschutz hat die deut-sche Zementindustrie durch technische Optimierung ihren gesamten Energiebedarf kontinuierlich senken können [1] und auf Drängen der deutschen Politik, mit dem Inkrafttreten des Deponieverbotes in 2005 für unbehandelte Abfälle (TASi), den Einsatz von Ersatzbrennstoffen weiter erhöht. Nach der ersten Ölkrise wurde zunächst von Öl auf Kohle umgestellt und, wegen ihrer hohen Energiegehalte und der relativ einfachen Handhabung, auch auf Altöl und Altreifen. Später folgten Lösemittel, Bleicherden und Ölschlämme. „Braunkohleähnliche“ feste Ersatzbrennstoffe aus sog. produk-tionsspezifischen Gewerbeabfällen, einzeln aufbereitet, wur-den über den Hauptbrenner bzw. den Calcinator aufgegeben. Nachdem der relativ geringe Einsatz einzeln aufbereiteter Ab-fälle als fester EBS keine Auswirkungen sowohl auf die Im-missionsbilanz des Werkes als auch auf die Verfahrenstechnik und Produktqualität hatte, durften die Abfälle nun auch ge-mischt aufbereitet werden. Später ergänzten aufbereitete heiz-wertreiche Fraktionen aus Hausmüll, Klärschlamm und Tier-mehl die Palette alternativer Brennstoffe [2]. Der Anteil von Sekundärbrennstoffen am Gesamtenergiehaushalt wurde im bundesdeutschen Durchschnitt inzwischen auf 54,4 % (2008) erhöht (Bild 1). Dabei zeigt sich immer deutlicher der Effekt, dass sich Partikel inhomogener Brennstoffgemische bei der Zuführung beson-ders über den Hauptbrenner auf unterschiedlichen Wurfbahnen bewegen und auch unterschiedlich verbrennen: Während sich groß­flächige, aber dünne Folien schwebend in der Flamme auf-zehren, wird der Restkoks dreidimensionaler Partikel die Flam-menspitze bilden oder sogar durch sie hindurch fliegen und zu reduzierendem Klinkerbrand führen. Durch phänomenologische Versuche und die analytische Sich-tung von verschiedenen Brennstoffgemischen können Aussagen über das Flugverhalten bzw. über die Qualität der Aufbereitung, die ehemalige Ausgangszusammensetzung und die Eignung des späteren Brennstoffgemisches für die avisierte Brennstelle gemacht werden. Die resultierenden Ergebnisse liefern dabei Indizien auf das spätere Verbrennungsverhalten, wohl wissend, dass sich Geometrie, Dichte und Kornform dynamisch verän-dern und negative Einflussfaktoren sich entschärfen können. Dennoch wurden nach Zelkowski [3] an solchen Gemischen noch immer Ausbrandzeiten zwischen 1,5 und 3 s ermittelt. Mit zunehmender Substitutionsrate beeinflusst die Geschwin-digkeit und die Vollständigkeit der Zyklen von Trocknung, Pyrolyse, Zünden und Ausbrand den diffusionsgesteuerten Verbrennungsprozess, wobei die bisherigen Zerkleinerungsver-fahren zunehmend an ihre Grenzen stoß­en. An dieser Stelle soll nicht näher auf Klärschlämme, Bleicher-den oder andere groß­e Monoabfallströme eingegangen wer-den, sondern auf die Herstellung von festen Ersatzbrennstof-fen, deren Komponenten aus der Entsorgung von Abfällen aus dem Gewerbe oder dem kommunalen Bereich stammen und in entsprechenden mechanischen Behandlungsanlagen (z. B. Mechanisch-Biologische Abfallaufbereitung/MBA) aufbereitet werden [2].

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Year

Prop

ortio

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]

Alternative fuels

Anteil des Sekundärbrennstoffeinsatzes in der deutschen Zement-industrie an der Feuerungswärmeleistung in % (Quelle: VDZ 2009)

1 Proportion of the thermal heat demand in % accounted for by the use of secondary fuels in the German cement industry (Source: VDZ 2009)

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With increasing substitution rates the speed and completeness of the cycles of drying, pyrolysis, ignition and burnout affect the dif-fusion-controlled combustion process, and the former methods of comminution come up increasingly against their limits. Sewage sludge, fuller’s earth and other major single-substance waste streams will not be dealt with here. The focus will be on the production of solid alternative fuels the components of which come from the disposal of wastes from industry or the municipal sector and are treated in appropriate mechani-cal treatment plants (e. g. mechanical-biological treating plant, MBT) [2]. Carpets, textiles, wood, cardboard, paper, rubber, plastic film, labels, packaging and other items of daily life are obtained indi-vidually or as mixtures at the waste producer. These are checked analytically for their suitability and are jointly separated into dis-ruptive substances and a fraction with enhanced calorific value by preliminary size reduction, screening, ferrous/nonferrous or ballistic separation and NIR spectroscopy. This is carried out with varying success because of adhering biomass, sticky mois-ture, and interlocking or overlapping pieces [2]. Secondary post treating specifically customized – e. g. by air classification, screening and comminution – is therefore carried out in most cases to produce kiln-ready fuel of the required particle size. After buffer storage and homogenization the fuel is delivered equipped with the accompanying documents [4]. The entire process chain from the waste producer to usage in the rotary cement kiln is accompanied by quality checks – either voluntary or imposed by authorization requirements. About 10 years ago the SRF-producers, the permitting and monitor-ing authorities and the end users in Germany developed 1 and implemented standard procedures for sampling, for chemical digestion and analysis, for data evaluation and for comparison with the permittive conditions.

First of all an unambiguous nomenclature was proposed for describing the differences in the production of solid alterna-

Dabei werden Teppiche, Textilien, Holz, Pappe, Papier, Gum-mi, Folien, Etiketten, Verpackungen oder andere Dinge des täglichen Lebens beim Abfallerzeuger einzeln oder gemischt erfasst, analytisch auf ihre Eignung geprüft und gemeinsam durch Vorzerkleinerung, Klassieren, NE-/Fe- oder ballistische Trennung sowie durch NIR-Spektroskopie in Störstoffe und eine heizwertangereicherte Fraktion aufgeteilt. Aufgrund an-haftender Biomasse, klebender Feuchte, hakender und sich überlagernder Teile sowie verschleppter Ascheeinträge gelingt dies mit unterschiedlichem Erfolg [2]. In den meisten Fällen erfolgt daher eine kundenspezifische Nachaufbereitung – z. B. durch Windsichtung, NIR-Tren-nung, Siebung und Zerkleinerung – zum ofenfertigen Brenn-stoff in der gewünschten Korngröß­e. Nach Pufferlagerung und Homogenisierung wird, mit den benötigten Begleitpapieren versehen, der Brennstoff ausgeliefert [4]. Qualitätskontrollen begleiten – freiwillig oder als Genehmi-gungsauflage verpflichtend – die gesamte Prozesskette vom Abfallerzeuger bis zur Nutzung im Zementdrehrohrofen. Da-für wurden in Deutschland vor ca. 10 Jahren zwischen den Brennstoffaufbereitern, den Genehmigungs- und Überwa-chungsbehörden sowie den Verwertern Standardprozeduren zur Beprobung, zum Aufschluss- und Analyseverfahren, zur Datenauswertung und zum Abgleich mit den Genehmigungs-auflagen entwickelt 1 und genutzt. Um die Unterschiede bei der Herstellung von festen Ersatz-brennstoffen zu beschreiben, wird zunächst eine eindeutige Nomenklatur vorgeschlagen (Tabelle 1), zumal feste Ersatz-brennstoffe, die über den Ofeneinlauf oder einen Calcinator aufgegeben werden sollen, anders aufbereitet werden als die, die später über den Hauptbrenner aufgegeben werden sollen. Nach dieser Nomenklatur würden die Brennstoffe bzgl. Quelle, Auf-bereitungsart und -tiefe sowie der Qualitätssicherung eindeutig beschrieben. Feste Ersatzbrennstoffe, die über den Ofeneinlauf oder einen Calcinator aufgegeben werden sollen, werden meist grobstückiger aufbereitet und daher einem anderen Qualitäts-management unterzogen als die, die über den Hauptbrenner

1 See also www.bgs-ev.de 1 Siehe auch www.bgs-ev.de

Tab. 1: Nomenclature • Nomenklatur

Term/Begriff Explanation/Erklärung

Alternative Fuel (AF), Residue Derived Fuel (RDF) Alternative Brennstoffe (ABS) oder Ersatzbrennstoff (EBS)

General definition for description of liquid, solid or pasty waste derived fuels without mandatory quality control allgemeiner Begriff für flüssige, feste oder schlammförmige abfallstämmige Brennstoffe ohne zwingende Qualitätsüberwachung

High caloric fraction (HCF) or calorific enriched fraction (CEF) hoch kalorische Fraktion (HKF) oder heizwertangereicherte Fraktion (HwF)

Solid (semi-)fraction during treatment whereby its calorific value is higher than that of the untreated waste in the feed material (raw material). Source material for further processing to SRF (Solid Recovered Fuel). feste (Teil-)Fraktion während der Aufbereitung, wonach der Heizwert höher ist, als der unbehandelte Abfall im Eingangs-material (Rohzustand). Ausgangsmaterial für die Weiterverarbeitung zu ofenfertigem EBS.

Sekundärbrennstoff (BPG)®

Original German term: Solid recovered fuel ready for firing from production-specific, non-recoverable commercial waste with mandatory quality control according to BGS r.A. criteria Ursprünglich: fester ofenfertiger Ersatzbrennstoffe aus produktionsspezifischem, stofflich nicht verwertbarem Gewerbeabfall mit zwingender Qualitätssicherung gem. Kriterien der BGS e.V.

Sekundärbrennstoff (SBS)®

Original German term: Solid recovered fuel ready for firing from municipal waste with mandatory quality control according to BGS r.A. criteria Ursprünglich: fester ofenfertiger Ersatzbrennstoff aus Siedlungsabfall mit zwingender Qualitätssicherung gem. Kriterien der BGS e.V.

Solid Recovered Fuel (SRF) Sekundärbrennstoff (SBS)®

Generalizing common term for solid recovered fuel ready for firing (EWC 191210) from all sources, but with mandatory quality control according to BGS r.A. criteria verallgemeinerter Begriff für feste ofenfertige Ersatzbrennstoffe (EAK 191210) aus allen Quellen, aber mit zwingender Qualitätssicherung gem. Kriterien der BGS e.V.

“pellet” or “fluff” “Pellet” oder “Fluff”

Simply a physical description of the consistence and the way of treating lediglich eine physikalische Beschreibung der Konsistenz und der Zerkleinerungsart

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tive fuels (Table 1), particularly as solid alternative fuels that are intended to be introduced through the kiln inlet or the calciner are processed differently from those that are to be introduced later through the main burner. In accor-dance with this nomenclature the fuels were to be described unambiguously with respect to source, type and inten-sity of treating and quality assurance. Solid alternative fuels for introduction through the kiln inlet or calciner are usually treated more coarsely and are therefore submitted to a different qual-ity procedure from those that have to be introduced through the main burn-er. These have to be comminuted more finely to achieve better burnout, al-though compared with pulverized coal there is still a difference of three orders of magnitude. In most cases the bulk density is reduced to such an extent that for cost reasons it is not possible to cover long distances with bulk transporters. After delivery and storage the fuels are loosened up, metered gravimetrically or volumetrically and transported to the respective burning positions. They are pneumatically conveyed and accelerated in the same way as the pulverized coal. They leave the burner mouth and take up their trajectories while undergoing thermal conversion. It is obvious that these inhomogeneous mixtures will split up into individual particles again. The particles will then follow, and burn on, different trajectories. Thin particles with large sur-face areas (mainly packing residues with thicknesses < 1 mm) are consumed while they are suspended in the flame but small three-dimensional particles (e. g. hard plastics, rubber, wood, etc.) form the tip of the flame or even pass through it and land on the kiln feed, causing clinker burning under reducing con-ditions (Fig. 2). Phenomenological tests (Fig. 3), in which the solid alternative fuels were accelerated with a conveying air flow that is normal for the main burner, were carried out in order to gain a feel for the trajectories and flight characteristics of solid alternative fuels

aufgegeben werden müssen. Diese müssen zum besseren Ausbrand feiner nachzer-kleinert werden, was gegenüber Kohlen-staub allerdings noch immer drei Zehner-potenzen ausmacht. Meist verringert sich die Schüttdichte dermaß­en, dass z. B. mit Groß­raumtrans-portern aus Kostengründen keine groß­en Distanzen zurückgelegt werden können. Nach Auslieferung und Lagerung werden die Brennstoffe aufgelockert, gravimetrisch oder volumetrisch dosiert und zur jewei-ligen Brennstelle transportiert. Dort verlas-sen sie, wie der Kohlenstaub pneumatisch gefördert und beschleunigt, den Brenner-mund und nehmen ihre Bahn, während sie thermisch umgesetzt werden.

Es liegt dabei auf der Hand, dass sich diese inhomogenen Gemische wieder in einzelne Partikel differenzieren und auf unterschiedlichen Wurfbahnen bewegen bzw. verbrennen: Während groß­flächige, aber dünne Partikel (meist < 1 mm dicke Verpackungsreste) schwebend in der Flamme aufge-zehrt werden, werden kleine dreidimensionale Partikel (z. B. Hartkunststoffe, Gummi, Holz etc.) die Flammenspitze bilden oder sogar durch sie hindurch fliegen und im Brenngut lan-den, wobei sie zu reduzierendem Klinkerbrand führen (Bild 2). Um ein Gefühl für das Wurf- und Flugverhalten von festen Ersatzbrennstoffen im Drehrohrofen zu bekommen, wurden phänomenologische Versuche durchgeführt (Bild 3), bei denen die festen Ersatzbrennstoffpartikel mit dem üblichen Förder-luftstrom für Hauptbrenner beschleunigt wurden. Wie zu ver-muten ist, sammelten sich Partikel mit „vergleichbaren Eigen-schaften“ in ihrer jeweiligen Distanz vom Brennermund in „Kollektiven gleichen Merkmals“; dieses Phänomen entspricht im Prinzip der Windsichtung. 2 Prinzip der WindsichtungBei der klassischen Sichtung wirken Kräfte auf Teilchen, bei denen der äquivalente Kugeldurchmesser des Rotationskör-pers, die Dichte und die Kornform sich proportional zur Sink-geschwindigkeit in Luft verhalten.

Phänomenologischer Versuch mit festen Ersatzbrennstoffen zur Ermittlung der Wurfweiten (Foto: Baier 2000)3 Phenomenological trial with solid alternative fuels for determining the distance of travel (Foto: Baier 2000)

Klinkergranalie aus reduzierenden Brennbe-dingungen (Foto: Baier 2003)

2 Clinker granule produced under reducing bur-ning conditions (Foto: Baier 2003)

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in a rotary kiln. As would be expected, particles with “compa-rable properties” collect at their respective distances from the mouth of the burner in “groups with the same characteristics”; this phenomenon corresponds to the principle of air classifica-tion. 2 The principle of air classificationIn traditional classification there are forces acting on the par-ticles in which there is a proportional relationship between the equivalent sphere diameter of the rotational solid, the density and the particle shape and the velocity of descent in air. This means in practice that if the particles1) have uniform density and particle shape then separation oc-

curs on the basis of particle size:

Vs ~ 2ÎØparticle

2) have uniform particle size and particle shape then separa-

tion occurs on the basis of density:

Vs ~ 2Îdparticle

3) have uniform particle density and particle size then the

separation occurs on the basis of particle shape:

Vs ~ 2Î 1cW

where: vs: velocity of descent m/s Øparticle: particle diameter m dparticle: density of particle g/cm3

cW: resistance coefficient of a rotationally symmetrical equivalent body

Classification can be carried out in laminar “Stokes” air flow, in the turbulent Newtonian range or in the transition range. The choice of flow range and the type of classifier (Fig. 4) de-pend on the objective. In reality, solid alternative fuels consist of a mixture of many materials that can be easily classified by classification in the laminar or turbulent range. The loading of the classifier should not be greater than 1 % for the analysis to prevent mutual interference of the particles. The first heavy fraction obtained (at approx. 10 m/s) is re-tained and weighed, while the entire light fraction that has been extracted is classified again at the next slowest wind velocity (9 m/s). This procedure is repeated until the possible classification range has been covered or the feed material has been used up. This results in a typical histogram and a fractionation (Fig. 5), analogous to the familiar particle size determination, that can be used for further analysis and description of the combined fuel by the d50 value and the slope of the cumulative curve between d20 and d80 (Fig. 6) [2]. This method provides information about the flight behaviour and about the quality of the processing, the former composi-tion of the waste (single components are clearly identifiable) and the suitability of the respective fractions for the intended feed positions in the rotary kiln plant.

Das heiß­t in der Praxis, wenn ein Partikel1) eine einheitliche Dichte und Kornform aufweisen würde,

erfolgt eine Trennung nach der Korngröß­e:

Vs ~ 2ÎØPartikel

2) eine einheitliche Korngröß­e und Kornform aufweisen

würde, erfolgt eine Trennung nach der Dichte:

Vs ~ 2ÎdPartikel

3) eine einheitliche Korndichte und Korngröß­e aufweisen

würde, erfolgt eine Trennung nach der Kornform:

Vs ~ 2Î 1cW

Dabei entspricht: vs: Sinkgeschwindigkeit m/s ØPartikel: Partikeldurchmesser m dPartikel: Dichte des Partikels g/cm3

cW: Widerstandbeiwert eines rotationssymmetrischen Äquivalenzkörpers

Eine Sichtung kann in laminarer, sog. Stokes’scher Luftströmung, im turbulenten Newton’schen Bereich oder im Übergangsbe-reich durchgeführt werden. Die Wahl des Strömungsbereichs bzw. die Art des Sichters (Bild 4) hängt von der Zielvorgabe ab. In Wirklichkeit bestehen feste Ersatzbrennstoffe aus Vielstoff-gemischen, die wiederum leicht durch Sichtung im laminaren oder turbulenten Bereich klassiert werden können. Um gegen-seitige Behinderungen der Partikel zu vermeiden, sollte die

Analysesichter der Fa. Bückmann GmbH + Co.KG/Mönchenglad-bach

4 Analytical classifier from Bückmann GmbH + Co. KG/Mönchenglad-bach

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During the production and use of solid alternative fuels with components that may have widely differing particle shapes, par-ticle densities and particle sizes it was found that separation based on the same “property” is entirely adequate for thermal conversion. This means that large two-dimensional fuel particles and small, very dense, three dimensional fuel particles collect in a fraction that ultimately exhibits similar combustion proper-ties. Assessment by descent behaviour is therefore more suitable than the typical assessment by particle size class!

The burnout times and the ignition behaviour in a downpipe re-actor at constant oxygen content were determined for such mix-tures by Zelkowski [3]. The tests showed burnout times for solid, shredded, alternative fuels (25 mm diameter) of between 1.5 and 3 s. The trajectories of the alternative fuel particles can then in fact be calculated in advance, but the conversion of the fuel particles during the combustion causes a dynamic change in properties for the entire system. 3 Thermal conversionEvery combustion process is controlled by diffusion, i. e. the sequences are determined by the particle size of the fuel, the ease with which the resulting gases can be ignited and the burnout time of the residual coke [3, 5]. This means that a gas that ignites readily reacts immediately, while a liquid fuel must first be transformed into the vapour phase. With solid fuels the first stage is drying while the volatile, readily ignitable, constituents are driven out by the radiant heat and can then ignite. Two-stage combustion, which is characterized by gas burnout followed by burnout of the residual coke, therefore also occurs with solid fuels (Fig. 7).

Beladung eines Sichters zur Analyse nicht mehr als 1 % betra-gen.

Die erhaltene erste Schwerfraktion (bei ca. 10 m/s) wird dabei einbehalten und verwogen, während die gesamte ausgetragene Leichtfraktion bei der nächst langsameren Windgeschwindig-keit (9 m/s) erneut gesichtet wird. Diese Prozedur wird so lan-ge wiederholt, bis der in Frage kommende Klassierungsbereich abgedeckt wird oder das Aufgabegut aufgebraucht ist. Es resultiert ein typisches Histogramm und eine Fraktionierung (Bild 5) analog der bekannten Korngröß­enbestimmung, die zur weiteren Analyse und Beschreibung des Brennstoffkollektives durch d50 und Steigung der Summenkurve zwischen d20 und d80 (Bild 6) herangezogen werden kann [2]. Mit dieser Methode erhält man Aussagen über das Flugverhal-ten bzw. über die Qualität der Aufbereitung, die ehemalige Ab-fallzusammensetzung (einzelne Komponenten werden deutlich erkennbar) und die Eignung der jeweiligen Fraktionen für die avisierte Aufgabestelle am Drehrohrofen.

Bei der Herstellung und dem Einsatz von festen Ersatzbrenn-stoffen, deren Komponenten unterschiedlichste Kornformen, Korndichten wie auch Korngröß­en aufweisen können, zeigte sich, dass eine Trennung nach gleicher „Eigenschaft“ für die thermische Umsetzung völlig ausreichend ist: D. h., zwei-dimensionale, groß­e, aber flache sowie kleine hochdichte drei-dimensionale Brennstoffpartikel sammeln sich in einer Fraktion, die letztlich sogar ähnliche Verbrennungseigenschaften aufweist. Es bedarf also nicht der typischen Beurteilung nach der Klasse der Korngröß­e, sondern nach dem Sinkverhalten! An derartigen Gemischen wurden nach Zelkowski [3] die Ausbrandzeiten und das Zündverhalten im Fallrohrreaktor bei konstantem Sauerstoffgehalt bestimmt. Die Versuche ergaben dabei Ausbrandzeiten an festem, geshreddertem Ersatzbrenn-stoff (Ø 25 mm) zwischen 1,5 und 3 s. Nun ließ­en sich die ballistischen Reichweiten der Ersatzbrenn-stoffpartikel zwar vorausberechnen, jedoch verleiht die Aufzeh-rung der Brennstoffpartikel während der Verbrennung dem Ge-samtsystem eine dynamische Veränderung der Eigenschaften.

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< 1.5 1.5 2 3 4 5 6 7 8 9

Classifying velocity of descent [m/s]

Mas

s di

strib

utio

n [w

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0.05

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0.45

Den

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[t/

m3 ]

Mass distribution [%] “SBS” 30 mmshredded

Mass distribution [%] “SBS” post-treated (30 mm, heavy fractionremoved, 10 mm pellets)

Density [t/m3] of the fraction “SBS”post-treated (30 mm, heavy fractionremoved, 10 mm pellets)

Density [t/m3] of the fraction “SBS”30 mm shredded

Ø Density 0.145 t/m3

Ø Density 0.085 t/m3

Massenverteilung als Summenkurven nach Sichtung von geschred-dertem SBS und pelletiertem SBS [2]

6 Mass distribution as a cumulative curve after classifying shredded and pelletized secondary fuel (SBS) [2]

0

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< 1.5 1.5 2 3 4 5 6 7 8 9

Velocity of descent [m/s]

Mas

s di

strib

utio

n [%

]

Sum curve [%] “SBS”30 mm shredded

Sum curve [%] “SBS”post-treated (30 mm,heavy fraction removed,10 mm pellets)

d´

n20/80

Flugfraktionierung von Sekundärbrennstoffen (SBS) mittels Sich-tung aus identischer heizwertreicher Fraktion aus der MBA produ-ziert [2]

5 Suspension fractionation by classification of solid recovered fuels (SRF) prepared out of an identical high-calorific fraction produced from a mechanical-biological treating [2]

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During the combustion, redox reactions take place between the hydrogen, carbon and oxygen with the release of thermal energy. As soon as an initial quantity of fuel had been converted the heat activates the intact (subsequent) fuel, which is dried and pyrolyzed. Its gases are ignited and burn out until one of the reaction partners has been used up. This cycle is repeated until the fuel or oxygen is consumed. With increasing rate of substitution of pulverized coal by solid alternative fuels the speed and completeness of this sequence ultimately affect the entire burning process. Because of the high H/C ratio of liquid fuels the cycles of drying, pyrolysis, ignition and burnout are passed through more rapidly, and the time-in-tensive burnout of the residual coke hardly plays any part in the conversion process [6].

The starting components for solid alternative fuels are, as a rule, former objects of everyday life, i.e. there is a wide spectrum from plastics that contain hydrocarbons to carbon-rich paper or wood and a correspondingly wide spectrum of different burning characteristics [7, 8]. Solid alternative fuels are there-fore located in the van-Krevelen diagram at a molar H/C ratio between 0 and 1 and a molar O/C ratio between 0.5 and 0.6 (Fig. 8). The insulating effect, the geometry and other surface effects mean that the diffusion in the fuel particles and the rates of combustion take place at differing speeds. Mechanically, the dif-fusion path can therefore be shortened, meaning the surface of the fuel particles can be enlarged, by producing even finer particle sizes in high output comminution equipment. “Edge running or pelletizing” (comminution by pressing through spe-cial ring or flat matrices) and “shredding” (cutting, chopping and passing through a sieve tray) have now become established. However, the desire for increasing substitution means that the previous methods of comminution are increasingly coming up against their limits. For this reason further development is on the way for utili-sation of solid alternative fuels. For many years efforts were focused on the air-whirl-mill. Various producers have been working with this special impact mill technology for over 50 years, but so far it has not been adapted for use with second-ary fuels.

3 Thermische UmsetzungJeder Verbrennungsprozess wird durch Diffusion gesteuert, d. h. die Abläufe werden von der Partikelgröß­e des Brennstoffes, der Zündwilligkeit der entstehenden Gase und durch die Aus-brandzeit des Restkokses bestimmt [3, 5]. Das bedeutet, dass ein zündwilliges Gas sofort reagiert, während ein flüssiger Brennstoff zuvor in die Dampfphase überführt werden muss. Feste Brennstoffe trocknen zunächst ab, während die Anteile an zündwilligen flüchtigen Bestandteilen durch die Strahlungswärme ausgetrieben werden, um später zünden zu können. Daher ist bei Festbrennstoffen auch eine zweistufige Verbren-nung zu beobachten, die durch den Gasausbrand und anschlie-ß­end durch den restlichen Koksausbrand gekennzeichnet ist (Bild 7). Bei der Verbrennung finden Redox-Reaktionen zwischen Wasserstoff, Kohlenstoff und Sauerstoff unter Freisetzung von thermischer Energie statt. Sobald eine erste Brennstoffmenge umgesetzt ist, aktiviert die dabei freigesetzte Wärme wiederum den unberührten (nachfolgenden) Brennstoff, der daraufhin erneut trocknet, pyrolysiert, dessen Gase zünden und bis zum Verbrauch eines der Reaktionspartner ausbrennt. Dieser Zyklus wird so oft durchlaufen bis der gesamte Brennstoff oder Sauer-stoff aufgezehrt ist. Mit zunehmender Substitutionsrate von Kohlenstaub durch feste Ersatzbrennstoffe beeinflusst die Geschwindigkeit und die Vollständigkeit dieser Sequenz letztlich den gesamten Brenn-prozess. Wegen des hohen H/C-Verhältnisses flüssiger Brenn-stoffe werden die Zyklen von Trocknung, Pyrolyse, Zünden und Ausbrand schneller durchlaufen, wobei der zeitintensive Restkoksabbrand kaum mehr eine Rolle im Umsetzungspro-zess spielt [6]. Die Ausgangskomponenten für feste Ersatzbrennstoffe sind in der Regel ehemalige Gegenstände aus dem täglichen Leben, d.h. es offenbart sich ein weites Spektrum von kohlenwasser-stoffhaltigen Kunststoffen bis hin zu kohlenstoffreichem Papier oder Holz und damit ein weites Spektrum unterschiedlichen Brennverhaltens [7, 8]. Feste Ersatzbrennstoffe sind daher im van-Krevelen-Diagramm bei einem molaren H/C-Verhältnis

Vereinfachter Ablauf der Umsetzung von festen Brennstoffen mit anschließendem Koksausbrand [6]7 Simplified sequence of the conversion of solid fuels with subsequent coke burnout [6].

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The comminution principle of this mill is based on a rotor with a high circumferential speed and a high air throughput, in which a high degree of turbulence is imparted to the air flow in the grinding zone (Fig. 9). The trajectories and velocities of the particles change very rapidly within this vortex and the colli-sions between the grinding elements, the wall and the mill feed lead to comminution of the particles (Figs. 10 –12).

The particles remain in suspension during the entire grind-ing process until they are discharged and then collected. The enormous increase in surface area and the high air throughputs mean that this principle is also suitable for simultaneous drying. This effect can be significantly increased by the application of waste heat. Initial investigations in the IEVB (Institute for Energy Tech-nology and Fuel Technology) at Clausthal University of Tech-nology various pulverized alternative fuels showed astonishing rates of ignition and conversion similar to those achieved with pulverized coal and lignite (Fig. 13). The ignition temperatures (IT) of the pulverized alternative fuels (AF) tested, which came from widely differing treating plants (MBT) = EBS 03/08 and industrial waste = EBS 03/07), clustered between 680 °C and 711 °C in the transition region between pulverized lignite with an IT of 620 °C and pulverized coal with an IT of 760 °C. This means that the pulverized alternative fuels exhibited an igni-tion behaviour that is slightly better than pulverized coal and somewhat more sluggish than pulverized lignite. The test results achieved so far have shown that the principle of the air-whirl-mill, which was originally designed for grinding foodstuffs and other substances, can also be used successfully for grinding solid alternative fuels (Fig. 14). Depending on the grinding resistance, size reduction rates of up to 100:1 are pos-sible. It is not essential that hard pellets are used as only the particles that are three-dimensional, hard or brittle and in the

zwischen 0 und 1 bzw. einem molaren O/C-Verhältnis zwi-schen 0,5 und 0,6 angesiedelt (Bild 8). Aufgrund isolierender Wirkung, der Geometrie und anderer Oberflächeneffekte verlaufen die Diffusionen in den Brenn-stoffpartikeln und die Verbrennungsgeschwindigkeiten un-terschiedlich schnell. Mechanisch lässt sich daher der Diffusi-onsweg verkürzen, bzw. die Oberfläche der Brennstoffpartikel vergröß­ern, in dem immer feinere Korngröß­en auf durchsatz-stärkeren Zerkleinerern hergestellt werden. Inzwischen haben sich das sog. „Kollern oder Pelletieren“ (Zerkleinerung durch Pressung durch spezielle Ring- oder Flachmatrizen) und das „Shreddern“ (schneiden, häckseln und Durchgang durch ei-nen Siebboden) etabliert. Allerdings stoß­en mit zunehmendem Substitutionswunsch die bisherigen Zerkleinerungsverfahren zunehmend an ihre Grenzen. Aus diesem Grund wird verstärkt an Lösungen für den wei-teren Einsatz von festen Ersatzbrennstoffen gearbeitet. Dabei rückte die sog. Wirbelstrommühle in den Fokus langjähriger Bemühungen. Verschiedene Hersteller arbeiten auch selbst seit über 50 Jahren mit dieser speziellen Prallmühlentechnik, die bislang aber noch nicht für den Sekundärbrennstoffeinsatz ad-aptiert wurde.

Das Zerkleinerungsprinzip dieser Mühle basiert auf einem, mit hoher Peripheriegeschwindigkeit drehenden, Rotor und dem

Abgepresste Biomasse bei ca. 200 °C (Probe 1, TS 5 %) und ca. 80 °C (Probe 2, TS 14 %) gemahlen, wobei d50 Probe1 < d50 Probe 2 resultierte.

10 Pressed biomass ground at about 200 °C (sample 1, TS 5 %) and about 80 °C (sample 2, TS 14 %), resulting in d50 sample 1 < d50 sample 2.

9 Grinding principle in the air-whirl-mill Mahlprinzip in Luftwirbeln

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Molar ratio O/C

Mol

ar r

atio

H/C

 

mixed gas

coal

wood, peat

lignite

kerogen

lignite tar oil

petroleum ether

petroleum– benzenemixture

natural   gas 

coal tar oil

benzene

leach

CO

CH3OH

coke

solidrecoveredfuel

liquidRDF

4

3

2

1

0

Molare H/C und O/C-Verhältnisse von Brennstoffen [6]8 Molar H/C and O/C ratios of fuels [6]

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past had led to problems in the kiln feed are rapidly and effec-tively comminuted to particle sizes significantly < 1 mm, while thinner plastic film and other two-dimensional particles hardly experience any comminution.In fact there is no need regard-ing the burnout behaviour of these particles as what matters in thermal conversion is the speed of the sequence of drying, pyrolysis, ignition and burnout. Pulverized alternative fuels have a tendency to bridging and agglomeration, so long static phases (intermediate storage, etc.) should be avoided. Worth to mention the additional drying ef-

hohen Luftdurchsatz, wobei der Luftstrom in der Mahlzone in starke Turbulenzen versetzt wird (Bild 9). Innerhalb dieser Wirbel werden in extrem kurzer Zeit die Flugbahnen und Ge-schwindigkeiten der Partikel geändert, wobei die Kollisionen zwischen Mahlwerkzeug, Wandung und Mahlgut zur Zerklei-nerung der Partikel führt (Bilder 10 –12). Während des gesamten Mahlprozesses bleiben die Teilchen in der Schwebe bis sie ausgetragen und anschließ­end abgeschieden werden. Aufgrund der enormen Oberflächenvergröß­erung und der hohen Luftdurchsätze ist dieses Prinzip auch zur gleichzei-tigen Trocknung geeignet. Dieser Effekt kann mit anstehender Abwärme noch deutlich verstärkt werden. Erste Untersuchungen am IEVB der TU Clausthal zeigten an verschiedenen EBS-Mehlen erstaunlicherweise Zünd- und Umsetzungsgeschwindigkeiten wie sie eher von Stein- bzw. Braunkohlenstäuben bekannt sind (Bild 13). Die Zündtempe-raturen (TZ) der getesteten EBS-Mehle, die aus unterschied-lichsten Aufbereitungsanlagen (MBA= EBS 03/08 und Ge-werbeabfall= EBS 03/07) stammen, gruppieren sich zwischen 680 °C und 711 °C im Übergangsbereich zwischen Braunkoh-lenstaub mit TZ 620 °C und Steinkohlenstaub mit TZ 760 °C. Die EBS-Mehle zeigen anschließ­end ein Zündverhalten, wel-ches geringfügig besser als Stein- und etwas träger als Braun-kohlenstaub ist.

Erster Test mit Hartpellets: Es resultierte ein Gemisch aus feintei-ligem und wollig flusigem EBS-Mehl.

12 First test with hard pellets: It resulted in a mixture of finely divided and fluffy woolly pulverized alternative fuel.

Biomasse vor (d50: 3200 µm; rechts) und nach (d50: 200 µm) Mahlung (Zerkleinerungsrate 16:1)11 Biomass before (d50: 3200 µm; left) and after (d50: 200 µm) grinding (size reduction rate 16:1)

AF meal „8“ - IT=680 °C

AF meal „7“ - IT=711 °C

Lignite dust „RWE“ IT=620 °C

Coal dust „El Cerrejon“ IT=760 °C

AF meal „8“ - IT=680 °C

AF meal „7“ - IT=711 °C

Lignite dust „RWE“ IT=62

Coal dust „El Cerrejon“ IT=

500

400

300

200

100

0500 600 700 800 900 1000

Temperature [°C]

Igni

tion

dela

y [m

s]

Zündverzögerung verschiedener Materialien nach Zelkowski [3]13 Ignition delay of different materials according to Zelkowski [3]

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Literaturverzeichnis/Literature

[1] Tam, C.; van der Meer, R.: IEA/CSI Technology Roadmap for the Cement Industry, International Energy Agency, Paris France, HeidelbergCement Group, Brussels, Belgium, 6th International VDZ Congress 2009, Sustainability and Use of Energy, Process Technology of Cement Manufacturing, Düsseldorf, Verlag Bau + Technik, (2009), pp. 155–157.

[2] Baier, H.: Ersatzbrennstoffe für den Einsatz in Mitverbrennungsan-lagen, in ZKG INTERNATIONAL, 59 (2006), No. 3, pp. 78–85.

[3] Zelkowski, J. et al.: Kohlecharakterisierung im Hinblick auf die Ver-brennung, Mahlbarkeit, Zündwilligkeit, Reaktivität, Verschlackung, VGB-. TB 240, Essen (1992)

[4] Guichardaz, O. et Baier, H. (2006): Déchets – Un combustible à portée de main; in Environnement & Technique; p. 35–38, no. 258, Juillet – Août 2006.

[5] Brandt, F. (1999): Brennstoffe und Verbrennungsrechnung, FDBR, Fachverband Dampfkessel-, Behälter- und Rohrleitungsbau e. V., 3. Aufl. – Essen: Vulkan-Verl. ISBN 3-8027-5801-3.

[6] Baier, H. (2009): Erzeugung von Ersatzbrennstoffen für die deutsche Zementindustrie – Rahmenbedingungen, Herkunft, Aufwand und Realisierung-, Berliner Energiekonferenz Erneuerbare Energien 10. und 11. November 2009 in Berlin, TK Verlag Neuruppin 2009, pp.75–88.

[7] Larsen, Morten Boberg (2007): Alternative Fuels in Cement Pro-duction, Technical University of Denmark, Department of Chemical Engineering, Ph. D. Thesis, DTU

[8] Reznichenko, A. (2009): Welcome to a new dimension, Burner Technology, International Cement Review, Tradeship Publications Ltd. Dorking, June 2009, pp. 96–98.

fect results by the increase in surface and the excess air, as well as the halving of the initial bulk densities of some pulverized al-ternative fuels, although doubling was also observed with some biomasses. The chemical properties of the alternative fuel components are not altered, which means that with residue-derived alternative fuels the known energy exchange ratio, often caused by fairly high ash and water inputs, continues to apply, i. e. a slightly higher mass input of solid alternative fuels is needed to cover the thermal energy requirement. As far as the flight and ignition behaviour is concerned the physical properties of the pulverized alternative fuels are now comparable with those of pulverized lignite. On the basis of many years of experience with cement plant construction Poly-sius AG can now offer its customers a complete handling and burner system for solid alternative fuels throughout the world. AcknowledgementsI would particularly like to thank Professors R. Scholz and R. Weber from the IEVB at Clausthal University of Tech-nology and my colleagues at Polysius AG, Beckum, for their year-long monitoring of the work and their friendly support. I would also like to thank Bückmann GmbH & Co. KG from Mönchengladbach, Altenburger Maschinen Jäckering GmbH from Hamm and Mahltechnik Görgens from Dormagen for carrying out the pilot plant trials and the tests.

Die bisherigen Versuchsergebnisse zeigten, dass das Prinzip der Wirbelstrommühle, das ursprünglich für die Mahlung von Le-bensmitteln oder anderen Substanzen konzipiert wurde, auch bei der Mahlung fester Ersatzbrennstoffe erfolgreich zum Ein-satz kommen kann (Bild 14). Je nach Mahlwiderstand sind Zer-kleinerungsraten bis 100:1 möglich. Dabei müssen nicht zwin-gend Hartpellets zum Einsatz kommen, da ohnehin nur die Partikel, die dreidimensional, hart oder spröde sind und bisher zu Problemen im Brenngut führten, schnell und effektiv auf Korngröß­en deutlich < 1 mm zerkleinert werden, wobei dün-nere Folien und andere flächige Partikel kaum eine Zerkleine-rung erfahren. Bzgl. des Ausbrandverhaltens dieser Partikel ist dies auch nicht notwendig, da es bei einer thermischen Um-setzung auf die Geschwindigkeit der Sequenz von Trocknung, Pyrolyse, Zündung und Ausbrand ankommt.

Das EBS-Mehl neigt zur Brücken- und Aggregatbildung, weswegen längere Ruhephasen (Zwischenlagerung etc.) ver-mieden werden sollten. Erwähnenswert sind der zusätzliche Trocknungseffekt durch Oberflächenvergröß­erung und Luft-überschuss, sowie die Halbierung der Ausgangsschüttdichten von einigen EBS-Mehlen, wobei bei einigen Biomassen auch eine Verdoppelung beobachtet wurde. Die chemischen Eigenschaften der EBS-Brennstoffkomponen-ten werden dabei nicht verändert, so dass bei abfallstämmigen Ersatzbrennstoffen, oft bedingt durch höhere Asche- und Was-sereinträge, nach wie vor das bekannte Energieaustauschver-hältnis resultiert, d. h. es wird zur Deckung des thermischen Energiebedarfes ein geringfügig höherer Masseneintrag von festen Ersatzbrennstoffen benötigt. Die physikalischen Eigenschaften des EBS-Mehls sind nun bezüglich seines Flug- und Zündverhaltens vergleichbar mit Braunkohlenstaub. Aufgrund langjähriger Erfahrungen im Ze-mentanlagenbau kann die Polysius AG ihren Kunden nun ein ganzheitliches Handlings- und Brennerkonzept für feste Er-satzbrennstoffe weltweit anbieten. DanksagungFür die jahrelange Begleitung der Arbeiten und die freundliche Unterstützung darf ich mich ganz besonders bei den Herren Professoren R. Scholz und R. Weber vom IEVB der TU Clausthal, sowie bei den Kollegen der Polysius AG/Beckum bedanken. Für die Durchführung der Technikums- und Test-versuche danke ich den Firmen Bückmann GmbH & Co. KG/ Mönchengladbach, Altenburger Maschinen Jäckering GmbH/ Hamm und Mahltechnik Görgens/Dormagen.

Mögliche Anlagekonfiguration zum Einsatz fester Ersatzbrennstoffe ohne und mit Wirbelstrommühle (Konzept für den Walking-Floor von A.T. Tews)

14 Possible plant configuration for using solid alternative fuels with and without air-whirl-mill (scheme for walking floor from A.T. Tews)