Forfattere:

Rune J. Clausen, Per Kalvig og Jonas Nedenskov

MiMa_Rapport_2019-1

 

 

 

 

 

Videncenter for Mineralske Råstoffer og Materialer (MiMa) har i samarbejde med Amager Ressource Center (ARC) undersøgt sammensætningen af slagge og flyveaske fra ARC’s Waste-to-Energy-anlæg, Amager Bakke. Anlægget genererer energi på basis af husholdningsaffald fra borgere og virksomhedsaffald fra fem kommuner i hovedstadsområdet. Formålet med undersøgelsen var: (i) at vurdere om disse restprodukter indeholder oversete råstofstrømme, som ikke udnyttes på nuværende tidspunkt, og (ii) at udvikle en metode til at bestemme affaldets oprindelige sammensætning på basis af slaggens og flyveaskens sammensætning.

Der blev i 2017 indsamlet 30 prøver af slagge og flyveaske; disse prøver repræsenterer en tidsserie på 30 dage. Slaggen er indsamlet direkte fra det transportbånd, der fører dem ud af ovnen, mens flyveasken er udtaget fra et rørsystem, som findes umiddelbart inden en opbevaringssilo. Udtagning af repræsentative prøver fra den meget heterogene slagge er en udfordring, som påvirker sikkerheden i de opnåede resultater.

Slaggen er vurderet ud fra to kriterier: (i) visuel sortering af komponenter og (ii) kemiske analyser.
Den visuelle sortering identificerede følgende råstof-hovedgrupper: Bygge- og keramiske materialer, glas, ikke-magnetiske metaller, magnetiske metaller, smelteslagge og en finkornet fraktion (<2 mm). De kemiske analyser af den finkornede fraktion viser forhøjet indhold af blandt andet antimon og guld, samt en række tungmetaller. MiMa har foreslået ændringer i procesrutinerne med henblik på at nyttiggøre metallerne i denne fraktion og for at reducere indholdet af miljøskadelige stoffer i restslaggen inden den eventuelt bruges til anlægsopgaver. Det forventes, at de foreslåede procesrutiner desuden vil optimere separationen af metalfraktionerne og øge potentialet for udsortering af glas.

Kemiske analyser af flyveasken har påvist, at den består af to delstrømme: (i) aske fra elfilteret og (ii) kedelaske, som hver for sig har forskellig kemisk signatur. Undersøgelsen har vist, at især zink findes i høje koncentrationer (varierende fra 1,7-7,2 %; gennemsnit 3,5 %). Elfilterasken indeholder den største koncentration af zink og miljøskadelige tungmetaller. Separation af elfilterasken kan derfor give mulighed for at ekstrahere kommercielle grundstoffer og reducere det volumen af flyveasken, som kræver deponering.

MiMa har udviklet en numerisk model, som, på basis af slaggen og flyveaskens kemiske sammensætning, kan estimere sammensætningen af det affald, der afbrændes. Dette værktøj giver mulighed for at monitere dynamikken i borgernes husholdningsaffald – og giver, når det er færdigudviklet, mulighed for at etablere målrettede kildesorteringskampagner.

Indhold

Forord 6
1. Formål 7
2. Introduktion 8
2.1 Affaldsforbrænding …………………………………………………………………………………. 9
2.2 Biprodukter: slagge og flyveaske ………………………………………………………………. 9
3. Prøvetagning……………………………………………………………………………………………….. 13
3.1 Overvejelser og prøvetagningssted………………………………………………………….. 13
3.1.1 Prøvetagningssted for slagge………………………………………………………………… 14
3.1.2 Prøvetagningssted for flyveaske …………………………………………………………… 14
3.2 Prøvetagningsmetoder…………………………………………………………………………… 16
3.2.1 Prøvetagning af slagge…………………………………………………………………………. 16
3.2.2 Prøvetagning af flyveaske…………………………………………………………………….. 21
3.2.3 Fremstilling af kompositprøve (splitning til kompositprøve)…………………….. 21
3.3 Nummerering af prøvemateriale………………………………………………………………. 22
4. Prøvebehandling……………………………………………………………………………………………. 25
4.1 Slagge…………………………………………………………………………………………………… 25
4.1.1 Størrelsessortering af slagge ………………………………………………………………… 25
4.1.2 Indledende forsøg med rensning af slaggefragmenter (>2 mm)……………….. 28
4.2 Flyveaske……………………………………………………………………………………………… 32
5. Karakteriseringsmetoder……………………………………………………………………………….. 33
5.1 Overblik over karakteriseringen af slaggefragmenter ………………………………….. 33
5.2 Karakteriseringsmetoder til slaggefragmenter >2 mm ……………………………….. 33
5.2.1 Permanent magnet ……………………………………………………………………………. 33
5.2.2 Metaldetektor……………………………………………………………………………………. 35
5.2.3 Eddy-current/Lenz-effekt…………………………………………………………………….. 36
5.2.4 Håndholdt X-Ray Fluorescence Spectroscopy (XRF)………………………………. 37
5.2.5 Scanning Electron Microscope (SEM)…………………………………………………… 39
5.3 Behandling af prøver til kemiske analyser…………………………………………………. 39
5.3.1 Prøvebehandling i analyselaboratoriet ………………………………………………….. 40
5.3.2 Analysemetoder………………………………………………………………………………… 41
5.3.3 Delprøve og detektionsgrænser…………………………………………………………… 41
6. Karakterisering af slaggen……………………………………………………………………………. 43
6.1 Kornstørrelsesfordeling………………………………………………………………………….. 43
6.2 Fragmentsammensætning (2-63 mm)……………………………………………………… 43
6.2.1 Magnetisk metal………………………………………………………………………………… 48
6.2.2 Glas …………………………………………………………………………………………………..50
6.2.3 Bygge- og keramiske materialer……………………………………………………………52
6.2.4 Ikke-magnetisk metal…………………………………………………………………………..53
6.2.5 Slaggesmelte ……………………………………………………………………………………….55
6.3 Fragmentdeformitet i relation til smeltepunktstemperaturer (4-63 mm) …….57
6.4 Slaggesmeltens kemiske og mineralogiske sammensætning ………………………..58
6.4.1 Mineraltypen ’matrix’……………………………………………………………………………60
6.5 Grundstofsammensætning………………………………………………………………………62
6.5.1 Kemiske korrelationer………………………………………………………………………….65
7. Karakteriseringen af flyveasken………………………………………………………………… 71
7.1 Totalkemi og varians………………………………………………………………………………71
7.2 Mineralogi (0-2 mm)……………………………………………………………………………….73
7.3 Kemiske korrelationer……………………………………………………………………………..75
8. Numerisk model for affaldssammensætningen…………………………………………………82
8.1 Metodeovervejelser………………………………………………………………………………..82
8.2 Om den numeriske model ……………………………………………………………………….85
8.3 Referencedata – affaldstypernes kemiske sammensætning efter forbrænding …88
8.4 Måledata – slaggen og flyveaskens kemiske sammensætning………………………88
8.5 Databehandling……………………………………………………………………………………..89
8.6 Resultater …………………………………………………………………………………………….90
8.7 Sammenligning……………………………………………………………………………………..90
8.8 Beregningsmæssig usikkerhed…………………………………………………………………92
8.9 Konklusion og anbefalinger……………………………………………………………………..92
9. Diskussion af råstofpotentialet…………………………………………………………………. 94
9.1 Slaggens materialekomponenter (2-63 mm)……………………………………………….95
9.1.1 Bygge- og keramiske materialer………………………………………………………………95
9.1.2 Glas ……………………………………………………………………………………………………96
9.1.3 Ferromagnetisk metal………………………………………………………………………….97
9.1.4 Ikke-magnetisk metal…………………………………………………………………………..97
9.1.5 Slaggesmelte ……………………………………………………………………………………….98
9.1.6 <2 mm-fraktion…………………………………………………………………………………..99
9.2 Grundstofferne i slagge og flyveaske…………………………………………………………99
9.2.1 Hovedelementer – en begrænset indgangsvinkel til ressourcevurdering…….100
9.2.2 Grundstoffer forhøjet i forhold til Jordens skorpe – flere ressourcepotentialer 101
9.2.3 Vurderinger af indholdet af kritiske råstoffer i slagge og flyveaske…………….102
9.3 Grundstofindhold i udvalgte fraktioner af slagge………………………………………..104
9.3.1 Slaggesmeltefragmenter i 2-63 mm slagge……………………………………………..104
9.3.2 Identificerede fragmenter i 2-63 mm slagge…………………………………………..104
9.3.3 Slagge – 0-2 mm-fraktion …………………………………………………………………..104
9.4 Flyveaske……………………………………………………………………………………………….105
9.4.1 Den kemiske sammensætning af kedelasken og elfilterasken ………………….106
9.4.2 Forholdet mellem kedelaske og elfilteraske…………………………………………..109
9.4.3 Råstofpotentialet ……………………………………………………………………………….109
9.5 Metallurgiske udfordringer…………………………………………………………………….. 112
9.5.1 Flyveasken………………………………………………………………………………………… 114
9.5.2 Slaggen ……………………………………………………………………………………………. 116
10. Konklusion……………………………………………………………………………………………….. 117
10.1 Prøvegrundlag og testmetoder………………………………………………………………. 117
10.2 Slaggeresultater………………………………………………………………………………….. 117
10.3 Flyveaskeresultater………………………………………………………………………………. 118
10.4 Modellering af affaldssammensætningen……………………………………………….. 118