einer Kehrichtschlackendeponie
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diplomarbeit_romanhabrik Diplomarbeit im Studiengang der Umweltingenieure, Abt VI II, ETH Zürich einer Kehrichtschlackendeponie Roman Habrik Abteilung Stoffhaushalt und Entsorgungstechnik, EAWAG Dübendorf Prof. Dr. P. Baccini Dr. Th. Lichtensteiger Dr. H.P. Bader Feb 1995 R. Habrik Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Zusammenfassung ........................................................................................III 1. Einleitung.................................................................................................1 1.1 Motivation....................................................................................................................................1 1.2 Aufgabenstellung ........................................................................................................................ 1 Vorgehen .................................................................................................2 2.1 Die Objekte ................................................................................................................................. 2 2.1.1 Systembeschreibung ........................................................................................................ 2 2.1.2 Systemabgrenzung.......................................................................................................... 3 2.1.3 Vergleichsobjekte ............................................................................................................. 4 2.2 Datenerhebung ..........................................................................................................................6 2.2.1 Die Messstation ................................................................................................................ 6 8 2.2.2 Temperaturfühler .............................................................................................................. 2.3 Bestimmung der Wärmeflüsse .................................................................................................... 8 2.3.1 Die Sonnenstrahlung .......................................................................................................9 2.3.2 Die terrestrische Strahlung .............................................................................................10 2.3.3 Die fühlbare Wärme ........................................................................................................13 2.3.4 Die latente Wärme ..........................................................................................................14 2.3.5 Wärmeleitung .................................................................................................................15 2.3.6 Bestimmung von h und C ...............................................................................................15 18 2.3.7 Chemische Wärmeproduktion ........................................................................................ 2.3.8 Gasentwicklung .............................................................................................................. 20 3. Resultate und Diskussion......................................................................21 3.1 Auswertung der Messdaten ...................................................................................................... 21 3.2 Schlackenparameter ...............................................................................................................24 3.2.1 Potentielle Wärmeentwicklung........................................................................................ 24 3.2.2 Wärmeleitfähigkeit .......................................................................................................... 25 3.2.3 Wärmekapazität .............................................................................................................. 27 Wärmehaushalt einer Kehrichtschlackendeponie I R. Habrik 4. Inhaltsverzeichnis 3.3 Wärmebilanz ............................................................................................................................. 28 3.4 Verhältnisse im Schollberg........................................................................................................ 29 Schlussfolgerungen............................................................................... 31 Quellenverzeichnis ....................................................................................... 32 Anhangverzeichnis .......................................................................................34 Wärmehaushalt einer Kehrichtschlackendeponie II R. Habrik Zusammenfassung Zusammenfassung Auf der Deponie Riet in Winterthur wurde der Wärmehaushalt einer Kehrichtschlackendeponie durch Messung der meteorologischen Parameter, durch Messungen der Temperatur im lnnern des Deponiekörpers sowie durch Abschätzungen der Wärmeentwicklung untersucht. Die in früheren Untersuchungen schon dokumentierte Wärmebildung in Kehrichschlackendeponien mit Filterstaubbeimischung hat sich an zwei weiteren Objekten, (Lufingen und Winterthur) auch ohne Filterstaub, bestätigt. Die Temperatur stieg in einer Tiefe von 1.5 m innerhalb 2 Wochen auf 57.5 "C. Der Wärmehaushalt kann nur mit Messungen am Objekt untersucht werden. Diese müssen sowohl die Temperaturverhältnisse im Ablagerungskörper als auch das klimatische Umfeld der Ablagerungen erfassen. Der wichtigste Faktor in der Wärmebilanz ist der Wärmestrom aus der Schlacke an die Oberfläche. Der in der Messperiode grösste Wärmestrom ist der der langwelligen Strahlung. Weil die BewöIkungsverhältnisse sehr schnell wechseln ist er mit der grössten Unsicherheit behafet. Für die Wärmeentwicklung verantwortlich sind die 3 Matrixelemente Kalzium, Aluminium und Eisen. Eine Wasserzufuhr ist für den Ablauf der wärmefreisetzenden Reaktionen nicht notwendig. Auch nach der Aufbereitung (Elimination der Metalle durch Magnetabscheidung und Handsortierung) wurden in Lufingen Temperaturen über 80 "C festgestellt. Die entstandene Wärme wird an die Oberfläche und ins Deponieinnere geleitet. Deshalb ist die Wärmeleitfähigkeit ein wichtiger Faktor zur Bestimmung des Wärmehaushaltes. Die Wärmeleitfähigkeit der frisch angelieferten Schlacke ist vergleichbar mit jener von Gummi. Sie nimmt mit der Temperatur und mit dem Alter der Schlacke zu. Die grosse Wärmeproduktion und die geringe Wärmeleitfähigkeit führen dazu, dass nicht alle Wärme abgeführt werden kann. Es bildet sich ein Wärmestau. In Ergänzung zum Wärmehaushalt wurde auch die Gasentwicklung untersucht. Dies im Hinblick auf eine Ablagerung Untertage. Kritisch ist dabei insbesondere die Wasserstofffreisetzng aus der Oxidation von Aluminium. Es muss verhindert werden, dass sich gefährliche Wasserstoffkonzentrationen bilden. Dies bedingt die Gewährleistung einer ununterbrochenen Belüftung. Wärmehaushalt einer Kehrichtschlackendeponie R. Habrik Einleitung 1. Einleitung 1.I Motivation Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass exotherme Reaktionen in gelagerter Kehrichtschlacke zu einer Erwärmung des Deponiekörpers auf über 80 "C führen (Veron, 1989; Lichtensteiger, 1994). Dies hat Konsequenzen für den Wasserhaushalt, für den Reaktionsverlauf, aber auch für die Bautechnik einer solchen Deponie. Neben den bisherigen Tagdeponien ist neu auch eine Untertagdeponie in Planung (Schollberg, Kanton SG). Die in einer früheren Untersuchung am Beispiel der Tagdeponie Riet (Oberwinterthur, Kanton ZH) festgestellten und auch aufgrund des Reaktionsverlaufs zu vermutenden Gasfreisetzungen erhalten im Hinblick auf die Untertagdeponierung eine zentrale Bedeutung. Durch Untersuchungen an einem seit knapp 4 Jahren beschickten Schlackenkompartiment sollen vertiefte Kenntnisse gewonnen werden über den Gas-, Wärme- und Wasserhaushalt von Schlackendeponien unter verschiedenen Lagerungsbedingungen. 1.2 Aufgabenstellung Im Rahmen dieser Studie sollen auf der Deponie Riet in geeigneter Weise die relevanten meteorologischen Parameter erfasst und in ihrer Wirkung interpretiert werden. Im Schlackenkompartiment der Deponie Riet soll der Wärmehaushalt untersucht werden. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen auf die Situation einer Untertagablagerung übertragen werden. Durch Veränderung der Parameter soll der Wärmehaushalt für die Untertagdeponie simuliert und erste Erkenntnisse über die Machbarkeit einer Untertagdeponie für solche Schlacken erarbeitet werden. Mögliche Gefahren können so frühzeitig erkannt werden. Im Hinblick auf die Untertagablagerung sollen Hypothesen zum Gashaushalt erarbeitet werden. Es ist abzuklären, inwieweit die Gasfreisetzung ein Gefahrenpotential (Explosionsgefahr) darstellt. Wärmehaushalt einer Kehrichtschlackendeponie R. Habrik Vorgehen 2. Vorgehen In erster Linie wird der Wärmehaushalt der Deponie Riet untersucht. Vergleichende Untersuchungen werden auch an anderen Standorten gemacht. Die Standorte werden zuerst charakterisiert. Für eine begrenzte Oberfläche der Deponie Riet wird eine Bilanz der Wärmeflüsse erstellt. Die Oberfläche umfasst die Grenzschicht zwischen Schlacke und Luft. Sie kann keine Energie speichern. Die Summe aller Energieströme durch die Oberfläche muss also =O sein. Danach werden die Beiträge der einzelnen Wärmeflüsse an die Gesamtbilanz bestimmt. Am Schluss wird der Gashaushalt in bezug auf die Untertagsituation untersucht. 2.1 Die Objekte 2.1 .I Systembeschreibung Auf der Deponie Riet in Oberwinterthur wird seit Juli 1991 in einem Kompartiment Kehrichtschlacke der KVA Winterthur eingelagert. Die angelieferte Schlacke wurde nicht aufbereitet, enthält also noch die Eisenfraktion. Im Gegensatz zu älteren Schlackenkompartimenten auf dieser Deponie enthält die Schlacke keinen Filterstaub mehr. Auf Ca. 6200 m2 wurde Schicht um Schicht aufgefüllt. Die Einbaudicke betrug jeweils 1 m. Bis im März 1993 wurde so eine Höhe von 6 m erreicht. Danach wurde während 19 Monaten keine Schlacke mehr geliefert, ehe im November 1994 die Einlagerung wieder aufgenommen wurde. Die Schichtdicke wurde auf 2 m erhöht. Das Kompartiment ist derzeit 6-8 m hoch. Das Schlackenkompartiment (S) ist in der Abb.1 dargestellt. Die Messstation (M) befindet sich auf der neu eingelagerten Schlackenschicht. Die Kontrollmessungen (K) wurden ebenfalls auf der neuen Schlackenschicht vorgenommen. Das Kompartiment ist bei K durch eine Lehmschicht vom nebenstehenden Kompartiment abgetrennt. Wärmehaushalt einer Kehrichtschlackendeponie R. Habrik Vorgehen S: Schlackenkompartiment M: Meteostation K: Kontrollmessung A: Messung im älteren Abschnitt Abb. 1 Schlackenkompartiment der Deponie Riet 2.1.2 Systemabgrenzung Diese Studie befasst sich prioritär mit dem Austausch an der Oberfläche der eingelagerten Kehrichtschlacke. Es soll nicht der Wärmehaushalt des ganzen Kompartimentes untersucht werden, sondern eine Wärmebilanz für eine begrenzte Fläche erstellt werden. Die einzelnen Beiträge zur Wärmebilanz sind: die kurzwellige Strahlung der Sonne, die langwellige Wärmestrahlung die jeder Köper ausstrahlt, Wärmeeintrag oder Abkühlung durch Regen und Schnee, Energie ,um Wasser zu verdunsten (latente Wärme), Wärmeaustausch durch Temperaturdifferenzzwischen Boden und Luft (fühlbare Wärme) und Wärmestrom in oder aus dem Boden. Wärmehaushalt einer Kehrichtschlackendeponie R. Habrik Vorgehen Grenzschicht Abb.2 Die verschieden Beiträge an die Wärmebilanz NS=Niederschlag, WL=Wärmeleitung, Str.kw=Strahlung langwellig, Str.kw=Strahlung kurzwellig Die Richtung der Wärmeflüsse latent, fühlbar, NS und WL ändert je nach den aktuellen Verhältnissen. Die Bilanz kann durch Aenderung von schlackenspezifischen und meteorologischen Werten auf andere Standorte angewendet werden. 2.1.3 Vergleichsobjekte Hinwil Bei der Kehrichtverbrennungsanlage in Hinwil (KEZO) wurde im Freien ein Zwischenlager errichtet. Auf einem geteerten Platz wurde Schlacke (ebenfalls ohne Filterstaub, und inkl. Eisenfraktion) aufgeschüttet. Die Aufschüttung erfolgte ohne besondere Systematik. Es wurde ein langgezogener Hügel von bis zu 15 m Höhe und einer Basis von Ca. 35 m errichtet. Ueber einen Zeitraum von knapp 2 Jahren wurde bis Ende 1993 Schlacke aufgeschüttet. Im Moment wird der Hügel wieder abgebaut. Dies ermöglicht einen Blick ins Innere eines Schlackenkompartimentes. Wärmehaushalt einer Kehrichtschlackendeponie 4 R. Habrik Vorgehen Abb.3 Schlackenberg bei der KEZO Lufingen Die Firma Eberhard Recycling AG betreibt in Lufingen eine Anlage zur Aufbereitung von Kehrichtschlacke. 60'000 Tonnen Rohschlacke werden dort zu 27'000 m3 Feinschlacke 0-63 mm verarbeitet. Diese findet als Kiesersatz in ungebundenen Fundationsschichten Verwendung. Die Schlacke wird mit einem Wassergehalt von 22 - 24 % von der KVA Hagenholz angeliefert. Die Aufbereitungsanlage sowie die Schlackenlager befinden sich in einer Halle. Nach einer Lagerungszeit von ca. 4 Wochen durchläuft die Schlacke den Aufbereitungsprozess. Nach einer Magnet-Eisenabscheidung werden durch Handsortierung Buntmetalle und unverbrannte Materialien von den Siebresten getrennt. Die Feinschlacke wird dann nochmals 4 Wochen gelagert. Der Wassergehalt beträgt nun noch 14 %. Unmittelbar vor der Auslieferung wird die Feinschlacke nochmals gesiebt. An diesem Objekt kann untersucht werden, welchen Einfluss eine Halle und damit eine Verhinderung von Wasserzufuhr auf die ~ärmeentwicklunghat. Es kann auch festgestellt werden, inwieweit sich die Wärme bei einem Kompartiment ohne Eisenfraktion bildet. Wärmehaushalt einer Kehnchtschlackendeponie 5 R. Habrik Vorgehen Abb.4 Schlackenzwischenlagerin Lufingen Schollberg Im Schollberg wird Kalkfels zu Bausteinen oder zu Kies verarbeitet. Das Bergwerk besteht aus rechtwinklig angelegten Stollen von 18 m Höhe und 12 m Breite. Dazwischen verbleiben Kalksteinpfeiler von Ca. 20 * 40 m. In einem dieser Stollen, dessen Basis 6 m über den anderen liegt, sind 2 Schlackenkompartimente a 2500 m3 vorgesehen. Die Gesamtschichtstärke der Ablagerung soll bei 10 m liegen. Es verbleiben also nur noch 2 m bis zur Decke. Es ist vorgesehen, die Ablagerungen vorne und hinten mit Betonwänden abzuschliessen. Bei dieser Variante der Einlagerung sind die physikalischen Bedingungen konstant. Die Temperatur im Stollen beträgt 10 - 12OC, die Luftfeuchtigkeit 97 %. 2.2 Datenerhebung s 2.2.1 Die Messstation Die Installation und Inbetriebnahme einer Messstation war Teil der Diplomarbeit. In Zusammenarbeit mit dem Ingenieurbüro Heimgartner in Klosters wurde auf der Deponie Riet eine Meteostation zur Messung der meteorologischen Parameter aufgestellt. Die Messgeräte stammen von Campbell Scientific Ltd., Leistershire, England. Die Station wurde nachträglich um 5 Temperatursonden im Boden erweitert. Wärmehaushalt einer Kehrichtschlackendeponie 6 Vorgehen R. Habrik Meteostation 1.5 Jahre alte Schlackenschicht Abb. 5 Lage der Temperatursonden In der bestehenden Schlackenaufschüttung war eine Bohrung tiefer als 2 m mit der zur Verfügung stehenden Bohranlage nicht möglich. Die Meteostation befindet sich zur Zeit auf der neuen, 2 m mächtigen Einbauschicht. Die Temperatursonden 0.2 m, 0.5m und 1.5 m tief befinden sich in dieser Schicht. Die unteren Sonden (3 bzw. 4 m tief) befinden sich 1 bzw. 2 m tief in der Schlackenschicht, die schon Ca. 1.5 Jahre gelagert ist. Das Zeitintewall zwischen den einzelnen Messungen beträgt 20 s. Nach jeweils 15 min werden die Mittelwerte bzw. Summen der folgenden Parameter gespeichert. Parameter Abkürzung Masseinheit in Betrieb seit Windgeschwindigkeit (3.1 m) U [m/sl (18. Nov für 3 Wochen) 18.Nov Lufttemperatur TL ["I ["Cl 18.N0~ Relative Luftfeuchtigkeit RH W] 18.N0v Windrichtung (in Vorbereitung) Strahlung langwellig [cal/cm2 min] 02.Dez Niederschlag [mm/15 rnin] 04. Dez Böenspitze [m/sl 18.Nov Maximaltemperatur ["Cl 18.N0~ Minimaltemperatur ["Cl 18.N0v Strahlung kurzwellig Rs Wärmehaushalt einer Kehrichtschlackendeponie 7 R. Habrik Vorgehen Strahlung 7-7 Uhr [cal/cm2 24h] Niederschlag 7-7 Uhr [mm/24h] Bodentemperatur ["Cl Temperatur 0.2 m tief ["Cl Temperatur 0.5 m tief ["Cl Temperatur 1.5 m tief ["Cl Temperatur 3 m tief ["Cl Temperatur 4m tief ["Cl Die Messresultate wurden wochenweise verarbeitet. 2.2.2 Temperaturfühler Für weitere Messungen auf der Deponie Riet sowie an den anderen Standorten wurde ein mobiler Temperaturfühler verwendet. Tagesschwankungen der Temperatur, die an der Bodenoberfläche 10-15°C betragen, sind in 30 cm Bodentiefe nur noch sehr schwach und unterhalb 50 cm Tiefe nicht mehr nachzuweisen. Der Temperaturfühler reicht bis in eine Tiefe von 50 Cm. 2.3 Bestimmung der Wärmeflüsse Strahlung ist Energie in Form elektromagnetischer Wellen. Durch Absorption kann Strahlungsenergie in Wärmeenergie umgewandelt werden. Die Strahlung wird daher in der Meteorologie in Wärmeeinheiten angegeben. Die wichtigste Strahlungseinheit ist die Bestrahlungsstärke E. Sie ist definiert als die Strahlungsenergie dQ, die pro Zeiteinheit dt auf die Flächeneinheit dA trifft. Die Einheit der Bestrahlungsstärke ist Watt pro Quadratmeter (W/m2). Im Folgenden wird unterschieden zwischen Wärmeflüssen, die gegen die Oberfläche hin gerichtet sind und Wärmeflüssen, die von der Oberfläche wegführen. Wärmeflüsse gegen die Oberfläche werden mit negativem Vorzeichen dargestellt. Wärmeflüsse weg von der Oberfläche werden mit positivem Vorzeichen dargestellt. Wärmehaushalt einer Kehrichtschlackendeponie 8 R. Habrik Vorgehen 2.3.1 Die Sonnenstrahlung Die Erde erhält ihre Energie durch Strahlungsenergie von der Sonne. Die Strahlungsenergie, die am Rand der Atmosphäre pro Sekunde auf 1 m2 senkrechte Fläche fällt, wird als Solarkonstante 10 bezeichnet.Sie beträgt im Januar 1180 W/m? Beim Durchgang durch die Atmosphäre wird die Sonnenstrahlung durch viele Faktoren beeinflusst: Absorption (Wasserdampf, Ozon) Streuung (Luft) Reflexion (Wolken) Abb. 6 Sonnenstrahlung Die für die Bodenschicht relevanten Energien sind die direkte Sonnenstrahlung und die diffuse Strahlung von Wolken und Himmel. Diese beiden Komponenten zusammen werden Globalstrahlung genannt. Die Globalstrahlung ist im schneefreien Mittelland bei bedecktem Himmel kleiner als bei klarem, vor allem deswegen, weil die Wolkendecke im allgemeinen eine sehr hohe Albedo (Reflexionsvermögen) besitzt, deren Wert ungefähr 75 % beträgt. Das bedingt, das nur 25 % der einfallenden Strahlung die Wolkenschicht durchdringen kann, der Rest wird in den Weltraum reflektiert. Es gelangen im Durchschnitt also nur 20 - 25 % des Strahlungsbetrages, der bei klarem Himmel aufgetreten wäre, direkt auf den Boden. Die Bewölkungsverhältnisse sind daher von grosser Bedeutung für das Strahlungsklima eines Gebietes. Die Globalstrahlung ändert rasch bei wechselnder Wärmehaushalt einer Kehrichtschlackendeponie 9 R. Habrik Vorgehen Bewölkungsverhältnissen. Es ist deshalb notwendig, die Globalstrahlung fortlaufend zu registrieren. Dabei erhält man eine Kurve, die die Veränderung der Strahlung im Verlaufe eines Tages zeigt. Diese wird in erster Linie vom Tagesgang der Sonnenhöhe und dem wechselnden Bewölkungsgrad bestimmt. Die Fläche unter der Kurve gibt ein Mass für die Strahlungsenergie. Diese Strahlungsenergie wird jedoch nicht vollständig vom Erdboden aufgenommen und in Wärme umgewandelt, denn ein Teil von ihr wird in den Weltraum zurückreflektiert. Die Sonnenstrahlung umfasst den Wellenlängenbereich von 0.29 - 4 Pm. In der Meteorologie wird die Sonnenstrahlung daher auch kurzwellige Strahlung genannt. Sie stellt einen Energiegewinn für die Erde dar. Die Globalstrahlung (Rs) wird von der Meteostation gemessen. Für die Reflexion (a) wurden in der Literatur folgende Werte gefunden: Tab.I Albedowetfe für Oberflächen Der Schnee auf der Deponie lag nur während kurzer Zeit. In dieser Zeit wurde er nicht stark verschmutzt. Deshalb kann ein hoher Albedo für die Schneedecke angenommen werden Für die Wärmebilanz werden die Werte a = 0.15 für die Schlackenoberfläche und a = 0.8 bei Schneebedeckung verwendet. Die Netto-Globalstrahlung (Rsn) geht in die Bilanz durch folgende Gleichungen ein. Rsn = Rs. (1 - 0.1 5) schneefrei (1a) Rsn = Rs (1-a) Rsn = Rs- (1 - 0.80) schneebedeckt (1b) 2.3.2 Die terrestrische Strahlung Die Strahlung, die von der Oberfläche und der Atmosphäre ausgestrahlt wird, heisst terrestrische Strahlung. Jeder Körper, dessen Temperatur verschieden vom absoluten Nullpunkt ist, strahlt nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz Energie aus. Die spektrale Zusammensetzung dieser Strahlung hängt vom Körper selbst und von seiner Temperatur ab. Je höher die Temperatur, desto höher die Intensität der ausgesandten Strahlung. Darum nennt man diese Strahlung Temperatur- oder Wärmestrahlung. Wärmehaushalt einer Kehrichtschlackendeponie 10 R. Habrik Vorgehen Durch die Absorption der von der Erdoberfläche ausgehenden langwelligen Strahlung sowie der erwähnten Absorption von Solarstrahlung erwärmt sich die Atmosphäre und sendet entsprechend ihrer Temperatur Strahlungsenergie aus, von der ein Teil als atmosphärische Gegenstrahlung zur Erdoberfläche gelangt. Die Atmosphäre wirkt folglich wie ein Glashaus. Sie lässt die von der Sonne kommende kurzwellige Strahlung zur Erdoberfläche durch, absorbiert aber die von der erwärmten Erdoberfläche ausgehende langwellige Strahlung. Je grösser der Wasserdampfgehalt der Atmosphäre ist, desto grösser ist die langwellige Strahlungsenergie und desto grösser ist folglich die atmosphärische Gegenstrahlung. Die Strahlung der Erdoberfläche und die gleichzeitig aufgenommene Gegenstrahlung ergeben im Durchschnitt für die terrestrische Strahlung einen Nettowärmeverlust der Erdoberfläche. Bei klarem Himmel beträgt die Einstrahlung Ca. 75 % der ausgesandten Strahlung (Liljequist, 1984). Nach dem Wien'schen Verschiebungsgesetz ist hmx.T = const. Die Oberfläche der Sonne hat eine hohe Temperatur, Ca. 6000 "K , daher sendet die Sonne Strahlung von hoher Energie aus. Die Erdoberfläche hat im Vergleich zur Sonnenoberfläche eine tiefere Temperatur. Sie sendet darum Strahlung von kleinerer Energie aus. Sie umfasst Wellenlängen zwischen 4 und 100 Pm. Zur Messung der langwelligen Strahlung stand (noch) kein Messinstrument zur Verfügung. Die Berechnung erfolgt somit mit empirischen Formeln und Gesetzen (Burmann, 1994). Die Einstrahlung (RLin) erhält man durch die direkte Anwendung des StefanBoltzmann-Gesetzes. R~in= &L 0 -TL4 &L= Emissivität der Atmosphäre [ ] o = Stefan-Boltzmann-Konstante [5.6696* 10-8 W/m2 K4] TL = Lufttemperatur [K] Die Emissivität der Atmosphäre hängt vom Dampfdruck und der Lufttemperatur ab (Burman, 1994) ea = Dampfdruck [mbar] Wärmehaushalt einer Kehrichtschlackendeponie 11 R. Habrik Vorgehen Der Sättigungsdampfdruck ist abhängig von der Temperatur. Er berechnet sich aus: es - 6.1. e(0.07'TL) (Waldvogel, 1994) Aus dem Sättigungsdampfdruck und RH kann der Dampfdruck ea berechnet werden: Es muss für die langwellige Strahlung nun noch die Bewölkung miteinbezogen werden. Die gemessene Globalstrahlung wird verglichen mit der Globalstrahlung eines sonnigen Tages. Der Korrekturfaktor für Wolken Kw berechnet sich dann durch: Rsb K~=0.4+0.6.~ Rsb = Strahlung bei bedecktem Himmel Rsk = Strahlung bei klarem Himmel Der Korrekturfaktor wird für jeden Tag (Mitternacht - Mitternacht) neu bestimmt. Wenn Kw > 0.7 , d.h., es ist nicht bedeckt, muss &L angepasst werden: Für die Ausstrahlung ( R L ~ muss ~ ~ )die Lufttemperatur durch die Bodentemperatur und &L durch die Emissivität des Bodens (&B)ersetzt werden. In der Literatur finden sich für &B folgende Werte: Böden Beton Putz Nackter Boden Boden Schnee 0.4-0.5 0.88 0,93 0.97 1 0.98 (Gisi, 1990) (Kohlrausch, 1968) (Kohlrausch, 1968) (Burman, 1994) (Liljequist,l984) (Burman, 1994) Tab.2 Emissionsfaktoren für Oberflächen Die Berechnungen wurden mit E ~ z 0 . 9 8(schneebedeckt) und mit (schneefrei) durchgeführt. Wärmehaushalt einer Kehrichtschlackendeponie &B = 0.93 R. Habrik Vorgehen Die terrestrische Netto-Strahlung (RLn) geht in die Bilanz durch folgende Berechnungsschritte ein: R L =~ (0.4 + 0.6. E)-( &B. (T .TB4 RLn = (0.4+0.6.-)-( Rsk 0 .TL4) &B. (T .TB4-.0.97..&p (T .TL4) bewölkt (2a) nicht bewölkt (2b) 2.3.3 Die fühlbare Wärme Unter fühlbarer (oder sensibler) Wärme wird die Wärme verstanden, die für das Gefühl erfassbar ist. Aenderungen des fühlbaren Wärmeinhaltes sind mit Temperaturänderungen verbunden und können direkt mit dem Thermometer bestimmt werden. Zur Berechnung des fühlbaren Wärmeflusses existieren verschiedene Ansätze. In Liljequist, 1984 wird wie folgt vorgegengen: p = Dichte der Luft C, = Wärmekapazität der Luft K = turbulenter Austauschkoeffizient dT dz -= Temperaturgradient Durch Unebenheiten der Bodenoberfläche wird das Windprofil gestört. Trotzdem kann in der Praxis ein logaritzhmisches Windprofil angenommen werden. Mit dieser Annahme wird mit k = 0.4 ( von Karmannsche Konstante) Rauhigkeitsparameter = mittlere Windgeschwindigkeit zo = - U der turbulente Austauschkoeffizient K für die Höhe z = 3.1 m berechnet. zo = 1-10 mm über einer Grasfläche (Liljequist, 1984) zo = 1-21 mm für Bodenoberflächen (Burman, 1994) Wärmehaushalt einer Kehrichtschlackendeponie R. Habrik Vorgehen K ist proportional zu Ü und zur Höhe über der Erdoberfläche. Da U* auch vom Rauhigkeitsparameter zo abhängt, ist K auch eine Funktion von den Unebenheiten der Unterlage. Aus der Annahme eines ebenfalls logarithmischen Temperaturprofiles T= Lufttemperatur To= Bodentemperatur kann T* berechnet werden Damit ist nun der Wärmefluss bestimmt. Annahmen: Die Windgeschwindigkeit wird in 3.1 m Höhe gemessen. Nach 3 Wochen ist der Windmesser ausgefallen. Es ist zu erwarten, dass die Windgeschwindigkeit am Tag wegen der Thermik höher ist als in der Nacht. Eine Analyse der Windverteilung zeigt dieses Verhalten über der Depnie jedoch nicht. Für die Berechnungen wurden die Winddaten der ersten 3 Wochen gemittelt. Der Wind beträgt darum in den Berechnungen konstsnt 1.15 mls. Der grösste Unsicherheitsfaktor in dieser Berechnung ist ZO. Eine Annahme für zo ist 0.01 1 m. Um die Auswirkungen einer falschen Annahme auf den Wärmestrom zu bestimmen, wurden die Berechnungen auch für zo = 0.001 m durchgeführt. 2.3.4 Die latente Wärme Der latente Wärmeinhalt des Bodens ist in Form von chemischer Energie gespeichert, die bei Phasenumwandlungsvorgängenoder chemischen Reaktionen freigesetzt oder verbraucht wird, z.B. Schmelzwärme oder Verdunstungswärme Aenderungen des latenten Wärmeinhaltes sind nicht mit Temperaturveränderungen verbunden (Gisi, 1990). Auf das System bezogen ist die latente Wärme die Verdunstung von in der Schlacke gespeichertem Wasser. Wärmehaushalt einer Kehrichtschlackendeponie 14 R. Habrik Vorgehen In Schmugge (1991) finden sich folgende Ansätze zur Berechnung der latenten und fühlbaren Wärme: [h]:: Austauschkoeffizient zwischen Referenzhöhe und Bodenoberfläche L: M: R: T: P: latente Wärme von Wasser Molargewicht von Wasser Gaskonstante Lufttemperatur Sättigungsdampfdruck bei Taupunkttemperatur Durch den Vergleich von Gleichung (4) mit Gleichung (3) kann der Term [h]:: bestimmt werden. Dieser Term wird dann in die Formel für die latente Wärme (5) eingesetzt. Regen: Es wird angenommen, dass der Regen mit Lufttemperatur auf der Deponie auftrifft. Der Wärmeeintrag durch Regen kann in der Bilanz vernachlässigt werden (0.1 W/m2) Schnee: Während der Messperiode lag 2 mal Schnee auf dem Deponiekörper 1.Periode: 21 .I 2. 24:OO Uhr bis 27.1 2.24:00 Uhr. Es wird angenommen, dass der Schnee während 1 Tag (27.12.94) schmilzt. Bei einer Dichte von 150 kg/mJ und einer Schneeschicht von 3 Cm. beträgt die dabei verbrauchte Wärmemenge 16.7 W/m? Dies ist in der Darstellung der latenten Wärme (S. A-24) durch ein vorübergehendes Ansteigen der Kurve ersichtlich. Bezogen auf die ganze Messperiode ist diese Schmelzwärme aber vernachlässigbar. Wärme haushalt einer Kehrichtschlackendeponie R. Habrik Vorgehen 2.Periode:1.1.95 24:OO Uhr bis 3.1.95 16:00 Uhr. Schneefall am 1.1.95. Der Schnee wurde nicht geschmolzen, sondern durch neu angelieferte Schlacke und Traxbewegungen auf der Deponie ab dem 3.Januar beseitigt. Das Schmelzen geht in dieser Periode nicht in die Wärmebilanz ein. 2.3.5 Wärmeleitung Zur Bestimmung des Wärmeflusses aus der Deponie (WL) wird das Fouriergesetz der Wärmeleitfähigkeit verwendet. WL = Wärmestromdichte W m aT az - = Temperaturgradient Wärmegradienten bestimmt. wurden an 3 Standorten durch Messungen (Anhang 6) 2.3.6 Bestimmung von h und C Sobald sich im Schlackenkörper Wärme bildet entsteht ein Temperaturgradient. Dadurch wird Wärme abgeleitet. Ist die Wärmebildung grösser als die Wärme, die abgeführt werden kann, erwärmt sich die Schlacke. Zur Bestimmung, wieviel Wärme abgeführt, resp. gespeichert werden kann, müssen die beiden Grössen h (Wärmeleitfähigkeit) und C (Wärmekapazität) bestimmt werden. Zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit wurden auf der Deponie Riet am 12.12.94 zwei Proben genommen. Probe A ist Schlacke, die vor Ca. 2 Jahren eingelagert wurde. Das entspricht den Verhältnissen in 3 und 4 Metern Tiefe. Die Schlacke der Probe B wurde frisch angeliefert. Das entspricht den Verhältnissen bis 2m Tiefe. Um eine Vergleichsmöglichkeit zu schaffen und um Messfehler durch grosse Stücke auszuschliessen, wurde die Schlacke mit einem 4er Sieb gesiebt und anschliessend die Leitfähigkeit bei T= 20 "C und T= 40 "C (höchste von der Apparatur her mögliche Temperatur) gemessen. Die Messungen erfolgten an der Abteilung Bauphysik an der EMPA Dübendorf. Wärme haushalt einer Kehrichtschlackendeponie 16 R. Habrik Vorgehen Die Messungen der Wärmekapazität für Proben dieser Art werden weder an der EMPA noch an der ETH routinemässig durchgeführt. Zur Bestimmung wurden die Einrichtungen im Physiklabor der ETH Hönggerberg benutzt. Die Wärme wird mit einem Hilfsmitttel an die Probe herangeführt. Der Versuch lieferte sowohl mit Wasser als auch Glycerin als Hilfsmittel keine vernünftigen Resultate (vgl. Anhang 1). Somit konnte die Wärmekapazität nur noch theoretisch abgeschätzt werden. Ausgangsbasis bildet die elementare Schlackenzusammensetzung in Belevi et al. 1992. Für alle Elemente mit einem Anteil > Iglkg wurde die stoffliche (oxidierte) Zusammensetzung bestimmt. Dabei wurden folgende Annahmen getroffen: KVA-Schlacken bestehen hauptsächlich aus Oxiden von Silizium, Kalzium, Eisen, Aluminium, Natrium, Magnesium und Kalium. Die Konzentration des Kohlenstoffes (213 organisch, 113 anorganisch) ist auch bedeutend (1-3 5%). Mehr als 95 % der Matrix besteht aus diesen Komponenten Si Ca Fe Al Na, Mg, K, Ti C P, C, S, CI, Zn, Cu 100 % oxidiert 116 carbonatisiert, 516 als Kalziumoxid 213 metallisch, 1I3 oxidiert 112 metallisch, 112 oxidiert oxidiert 113 carbonatisiert elementar Aus der Literatur wurden für die jeweiligen Stoffe die Wärmekapazität bestimmt. Die elementare Zusammensetzung wurde nun für einen Wassergehalt von 5% und 20% angepasst. Durch die Multiplikation mit dem Umrechnungsfaktor (Atomgewicht Stoff I Atomgewicht Element) erhält man die stoffliche Zusammensetzung der Schlacken. Die einzelnen Anteile der Wärmekapazität können nun addiert werden. (Anhang 2) Wärmehaushalt einer Kehrichtschlackendeponie 17 R. Habrik Vorgehen 2.3.7 Chemische Wärmeproduktion Schlackenzusammensetzung Das Langzeitverhalten der Schlacke wird hauptsächlich von den Hauptkomponenten bestimmt. Im Ofen werden neue Phasen gebildet (Lichtensteiger und Zeltner, 1994). Diese sind nicht stabil. Mit der Ablagerung setzen Umwandlungen ein Ein Gleichgewicht stellt sich während der späteren Lagerung unter Einfluss der umgebenden Luft und Feuchtigkeit nur sehr langsam ein. Der Hauptfaktor für diese Umwandlungen ist die Kinetik. Die Geschwindigkeit der Reaktionen ist abhängig von den chemischen, physikalischen Parametern, der Oberfläche, dem Wasser und der Luft. Nach dem Schlackenbad haben die Schlacken das thermodyna-mische Gleichgewicht im Hinblick auf Hydrolyseprozesse noch nicht erreicht. Die Hydrolyseprozesse laufen während der Zwischenlagerung und der Deponierung der Schlacke weiter. Der Wassergehalt der feuchten Schlacke beträgt 20 % und ist hoch genug, verschiedene Hydrolysereaktionenzu ermöglichen. Ueber die Kinetik der meisten Reaktionen ist noch sehr wenig bekannt. Darum kann nur abgeschätzt werden, welches Potential an Wärmeentwicklung vorhanden ist. Damit kann geklärt werden, ob die Wärmeproduktion über mehrere Jahre aufrecht erhalten werden kann. Anhand der Temperaturmessungen kann abgeschätzt werden, wieviel Wärme zu einem bestimmten Zeitpunkt vorhanden ist. Mögliche Reaktionen mit den Ausgangsstoffen sind (Johnson, 1992): Kalzium Im Ofen entsteht Kalziumoxid, welches mit Wasser zu Kalziumhydroxid reagiert. Die Hydratisierung von Kalziumoxid ist thermodynamisch günstig, und die Geschwindigkeit dieser Reaktion ist allein durch die Menge des verfügbaren Wassers kontrolliert. Kalziumhydroxid ist sehr basisch und geht hauptsächlich mit Kohlendioxid (Carbonatisierung) und Siliziumoxid Reaktionen ein (Bildung von Kalziumsilikat hydratphasen) Lichtensteiger et al. 1994. Letzteres sind die puzzolanischen Reaktionen, die auch bei vulkanischen Gläsern oder Hochofenschlacken stattfinden, sofern Kalziumhydroxid beigegeben wird. Die Wärmeentwicklung wird auch bei Betonbauten grosser Mächtigkeit festgestellt. Wärmehaushalt einer Kehrichtschlackendeponie 18 Vorgehen R. Habrik Magnesium Magnesium verhält sich ähnlich wie Kalzium. Aluminium Sowohl als Metall als auch als Oxid reagiert Aluminium mit Wasser. Die Reaktion mit Wasser ist thermodynamisch günstig und es entsteht Aluminiumhydroxid. Eisen Das metallische Eisen wird über längere Zeiträume oxidiert. Es oxidiert aber offenbar schneller als Aluminium. Organischer Kohlenstoff Er ist ein potentiell reaktiver lnhaltsstoff der Kehrichtschlacke und kann mikrobiell abgebaut werden. Wird die organische Substanz vollständig abgebaut, entstehen CO2 und H20. Der CO2-Anstiegkann zur Versauerung beitragen und die Carbonatisierung erhöhen. Schwefel Ungefähr die Hälfte des Schwefels sind Sulfide. Sie liegen entweder als Kalziumsulfide oder Eisensulfide vor. Diese werden zu Beginn relativ schnell (ca. 10 % pro Monat) oxidiert. Danach verlangsamt sich die Oxidation. Nach 10 Jahren dürfte der Hauptteil des Sulfids oxidiert sein (Redle, 1992). Alkalimetalle Die bei der Verbrennung entstandenen Peroxide bilden mit Wasser stark alkalische Lösungen. Sie sind mit wenigen Ausnahmen sehr wasserlöslich. Die Reaktionswärme wird folgendermassen berechnet: AH = X A H (Produkte) ~ - X A H (Edukte) ~ Wärmehaushalt einer Kehrichtschlackendeponie R. Habrik Vorgehen 2.3.8 Gasentwicklung Bei einer Einlagerung der Kehrichtschlacke untertage entstehen bezüglich des Gashaushaltes neue Verhältnisse. Zwischen der Schlackenoberfläche und der Felsdecke bleibt nur ein kleiner Zwischenraum. In diesem Zwischenraum können sich Gase ansammeln. Anhand der Reaktionen, die zur Bestimmung des Wärmepotentials bestimmt worden sind, werden jene Reaktionen, die Gase produzieren, genauer betrachtet. Dies ergibt einen Ueberblick der zu erwartenden Gase. Für die Ablagerung untertage ist insbesondere eine Wasserstofffreisetzung kritisch (explosionsgefahr). Für Wasserstoff wurde daher die maximal mögliche freisetzbare Menge berechnet und mit den SUVA-Kennzahlen verglichen. Wärmehaushalt einer Kehrichtschlackendeponie 20 R. Habrik Resultate und Diskussion 3. Resultate und Diskussion 3.1 Auswertung der Messdaten Temperaturverlauf in 1.5 m Tiefe Abb. 7 Temperatun/erlaufin 1.5 m Tiefe Die 5 Messonden zeigen einen sehr unterschiedlichen Verlauf. In 20 cm Tiefe kühlt sich die angelieferte Schlacke von Ca. 17 "C innerhalb weniger Tage auf unter 10°C ab. Grössere Schwankungen an der Oberfläche können noch registriert werden. In 50 cm Tiefe erwärmt sich die Schlacke in Ca. 2 Wochen auf 20°C . Dann sinkt die Temperatur langsam (1OCIWoche). In 1.5 m Tiefe nimmt die Temperatur innerhalb der ersten 10 Tage linear auf über 50°C zu und erreicht bei 57.5"C ein Maximum. Nachher sinkt die Temperatur und beträgt nach 5 Wochen noch 51"C. Die Temperaturfühler in 3 und 4 m Tiefe befinden sich in einer Schicht, die schon vor 1.5 Jahren eingelagert und erst jetzt neu überdeckt wurde. Die Reaktionen der Wärmebildung sind in dieser Schicht nicht mehr so ausgeprägt. Die Temperatur nimmt über 5 Wochen von 20" auf 30°C zu (vgl. Anhang 3, S. A-5). Wärmehaushalt einer Kehrichtschlackendeponie 21 R. Habrik Resultate und Diskussion 0 20 40 60 0-LI-0.5 -- m -1 -- -1.5 -- rn =' \ -2 --2.5 -- -3 -- -3.5 -- -4 - /' .i bei höchster Innentemp. Abb. 8 Temperaturprofile auf der Deponie Riet an verschiedenen Tagen Das Temperaturprofil ändert sich sehr stark. Es muss unterschieden werden zwischen dem Profil in der neu eingelagerten Schlacke und jenem in der schon älteren Schlacke. In der neu eingelagerten Schlacke zeigt das Profil nach 3 Tagen einen Verlauf wie in einem Boden, d.h. der Temperaturgradient nimmt mit der Tiefe ab. Bei erhöhter Innentemperatur stimmt dieser Verlauf nicht mehr. Der Wärmegradient nimmt gegen die Oberfläche ab. Das bedeutet, dass auch der Wärmefluss gegen die Oberfläche kleiner wird. Es kann nicht alle Wärme abgeführt werden und die Schlacke erwärmt sich. Das Temperaturprofil in der bereits gelagerten Schlacke ändert sich ebenfalls. Bevor die neue Schlacke darüber gelagert wurde existierte ein ein Wärmefluss von innen an die Oberfläche. Die Temperatur nahm gegen die Oberfläche hin ab. Nach 2 Wochen ist es umgekehrt. Die Wärme fliesst vom oberen Teil in den unteren Teil. Die Temperatur nimmt im unteren Teil von 2 m bis zu einer Tiefe von 4 m ab. An den 3 Objekten wurden in 50 cm Tiefe die folgenden Höchsttemperaturen gemessen: Kezo alt: Kezo neu: Lufingen 2: Lufingen 1: Riet K2 Riet K: Riet A: Riet M: 29.0 "C 54.9 "C 32.2 "C 83.5 "C 36.7 "C 45.9 "C 12.4 "C 19.9 "C Wärmehaushalt einer Kehrichtschlackendeponie 22 R. Habrik Resultate und Diskussion Die 8 Standorte können wie folgt kurz beschrieben werden: Kezo alt: Aussenfläche des Schlackenhügels bis Ca. 11 m Höhe, EinlagerungsZeit vor mehr als 2 Jahren. Kezo neu: Spitze des Schlackenhügels in 11-15 m Höhe. Einlagerungszeit vor rund einem Jahr Lufingen 2: Aufbereitete Schlacke in Ca. 6 m Höhe in der Halle. Einlagerungszeit unbestimmt Lufingen 1: Schlackenberg, knapp unter der Hallendecke, Schichtdicke 14 m, Einlagerungszeit ca. 6 Monate. Riet K2: Zusätzliche Messung 2 m neben der Meteostation, Schichtdicke 6-8 m, 9 Tage nach Deponierung. Riet K: Zusätzliche Messung auf der Deponie, Schichtdicke 8 m, Einlagerungszeit Ca. 1 Monat. Riet A: Messung auf dem älteren Teil des Kompartimentes, Schichtdicke 6 m, Einlagerungszeit Ca. 1.5 Jahre Riet M: Daten der Meteostation Lufingen: In Lufingen wird die Schlacke in einer Halle gelagert. Trotzdem laufen die wärmebildenden Reaktionen ab. Der Wassergehalt der Schlacke genügt für die Reaktionen. Es ist kein zusätzliches Wasser notwendig. Die Wärmebildung kann auch in Schlacke ohne Eisenfraktion festgestellt werden. Hinwil: Nach mehr als einem Jahr kann in 50 cm Tiefe noch 55 "C gemessen werden. Nach 2-3 Jahren immer noch 30 "C. Diese Werte sind höher als die auf der Deponie Riet gemessenen. Im lnnern des Schlackenhügels (4 m über Grund) konnten allerdings nur 25-30 "C gemessen werden. Wärmehaushalt einer Kehrichtschlackendeponie 23 R. Habrik Resultate und Diskussion Winterthur: Auf der Deponie Riet wurden räumlich sehr unterschiedliche Temperaturen festgestellt. Die von der Meteostation gemessene Temperatur liegt 17-26 "C unter denjenigen Temperaturen, die wenige Meter von der Messstelle von Hand gemachten wurden. 3.2 Schlackenparameter 3.2.1 Potentielle Wärmeentwicklung Im Kapitel 2.3.7 wurde beschrieben, welche chemischen Reaktionen in der Schlacke ablaufen. Im Anhang 8, S. A-39 sind diese Reaktionen aufgelistet. Mittels den Enthalpien wurde die Energiefreisetzung der Reaktionen bestimmt. Aus der bei der Berechnung der Wärmekapazität bestimmten Schlackenzusammensetzung (in mollkg Schlacke umgerechnet) und den Reaktionsenergien (kJ1mol) kann die maximal mögliche Energiefreisetzung (in kJ1kg Schlacke) berechnet werden. Dies ergibt folgende Werte, aufgeteilt nach den Matrixelementen. Matrixelement Pot. Wärmefreisetzung (kJ1kg Schlacke) n.b. = nicht bestimmt Corg produziert 34-51 kJ1mol. Diese Energie liegt aber nicht in Wärme-, sondern in chemischer Energie vor. Die Bildung von Kalziumsilikathydratphasen sind zementähnliche Reaktionen. Es ist bekannt, dass durch diese Prozesse Wärme frei wird (Hydratationswärme). In mächtigen Betonbauten wurden Temperaturen bis zu 90 "C nachgewiesen. Das Potential der Wärmefreisetzung aus der Bildung der Kalziumsilikathydratphasen wurde nicht mitberücksichtigt. Für einzelne Phasenbildungen liegen zwar Wärmehaushalt einer Kehrichtschlackendeponie 24 R. Habrik Resultate und Diskussion Reaktionsenthalpien vor, die Kenntnis der Phasenzusammensetzung in der Kehrichtschlacke ist aber noch zu wenig detailliert um diese Beiträge abschätzen zu können. Ohne den Anteil der zementähnlichen Reaktionen ergibt sich ein Wärmebildungspotential in der Grössenordnung von 1MJlkg Schlacke. Tatsächliche Wärmeproduktion Zu Beginn der Messung steigt die Temperatur linear an. In dieser Zeit vom 15.12. 00:15 (T= 31.5 "C) bis zum 23.1 2.94 00:15 (T=50.38 "C) nimmt sie um 18.88 "C zu. Unter der Vernachlässigung der Verluste durch Wärmeleitung, d.h., wenn nur die Schlacke erwärmt werden muss (C= 1450 Jlkg K), entstehen pro kg Schlacke 0.04 W. 3.2.2 Wärmeleitfähigkeit Probe A Bgesiebt Dichte (kg/mA3) Leitfähigkeit (Wlm K) 20°C 23.1 "C 1350 0.38 1130 0.35 1036 0.28 40°C 0.44 0.37 Tab 3 Wärmeleiifähigkeitenvon Kehrichtschlacke ( Messgenauigkeit i- 0.02) Die Resultate können interpoliert und bis 10 " resp. 50 "C auch extrapoliert werden. Für höhere Temperaturen wird der Wert bei 50 "C verwendet. Die Leitfähigkeit der Schlacke nimmt mit dem Alter zu. Zu Beginn ist die Leitfähigkeit zu vergleichen mit jener von Gummi,also sehr klein. Dies erklärt, warum nicht die gesamte produzierte Wärme abgeführt werden kann und sich die Schlacke erwärmt. Bei der Messung der Leitfähigkeit wird die Probe (25.25- 5 cm) einen ganzen Tag erwärmt. Eine Wärmeproduktion innerhalb der Probe konnte dabei nicht nachgewiesen werden. Dies ist ein weiterer Hinweis, dass eine Wärmebildung nur ab einer gewissen Schichtdicke möglich ist. Die Wärmeleitfähigkeit von Kehrichtschlacke ist vergleichbar mit der Wärmeleitfähigkeit folgender Stoffe: Backstein Wasser Nylon PE Plexiglas 0.1-0.5 0.585 0.35 0.31 0.18 (W/m K) Wärmehaushalt einer Kehrichtschlackendeponie 25 R. Habrik Resultate und Diskussion Wärmefluss aus dem lnnern durch die Oberfläche: Mit dem Wärmeleitungsgesetz von Fourier wurden die Wärmeströme an den verschiedenen Standorten von 50 cm Tiefe durch die Oberfläche berechnet. Die XWerte wurden für die entsprechenden mittleren Temperaturen interpoliert, bzw. extrapoliert (she Anhang 7, S. A-44). Die weissen Balken zeigen die höchsten, die schwarzen Balken die niedrigsten Wärmeflüsse Kezo alt Kezo neu Lufingen 2 Lufingenl Riet K2 1 Riet K Riet A Riet M 1 I I I I I I I I I I I Abb.9 Wärmeflüsse (weiss = Maximalwerfe, schwarz = Minimalwerte) Im Vergleich zu anderen Standorten mit frischer Schlacke ist der Wärmefluss bei der Meteostation sehr klein. Er ist vergleichbar mit jenem bei Riet A. Die beiden Kontrollmessungen zeigen zum Teil mehr als doppelt so hohe Werte. Bei Riet A sind die Werte sehr niedrig. Dies kann durch die geringe Schichtdicke zusammen mit den Unterbrüchen bei der Einlagerung bedingt sein. An den anderen Messorten ist die Schichtdicke mächtiger und der Einbau erfolgte viel schneller. Die Wärmeentstehung kann also durch die Einbauweise beeinflusst werden. Wärmehaushalt einer Kehrichtschlackendeponie 26 R. Habrik Resultate und Diskussion 3.2.3 Wärmekapazität Tab 4 Wärmekapazität von Kehrichtschlacke Die Messungen wurden gemäss der Anleitung zum Physikalischen Praktikum an der ETH Zürich (Busch et al. 1992) durchgeführt (vgl Anhang 1). Die im Labor gemessenen Daten sind unrealistisch. Es gibt praktisch keine Stoffe mit einer so niedrigen Wärmekapazität wie für die trockene Schlacke gemessen wurde. Es kann nicht ausgeschlossen werden, dass durch das Aufheizen der Schlacke im Wasserbad Reaktionen so stark ablaufen, das sie Messergebnisse verfälschen. Die Berechnung erfolgte durch Addition der Wärmekapazitäten der einzelnen Schlackenbestandteile (vgl. Anhang 2, S. A-4) Die Wärmekapazität ist in erster Linie eine Funktion des Wassergehaltes. Bezüglich der Wärmekapazität lässt sich Kehrichtschlacke mit folgenden Stoffen vergleichen: Tannenholz Nylon Akrylglas 1500 (J/kg K) 1360 1450 Wärmehaushalt einer Kehrichtschlackendeponie 27 R. Habrik Resultate und Diskussion Wärmebilanz 49 WL latent St r.kw fühlbar Grenzschicht C 9 3 I Abb. 10 Wärmeflüsse vom 12.12.94-15.1.95 in W/& Die Wärmebilanz der Grenzschicht ist nicht ausgeglichen. Die Summe der Flüsse in die Grenzschicht (Str.kw + WL) ist um 43 W/m2 kleiner als die Summe der von der Grenzschicht wegführenden Wärmeströme (Str. Iw, latent und fühlbar). Mögliche Ursachen, warum die gemessenen und berechneten Werte in der Bilanz nicht 0 ergeben sind: 1. Unsicherheiten in den Annahmen - Die langwellige Ausstrahlungist von der Grössenordnung von 300 W/m2. Ein Fehler von 10 % wirkt sich je nach Bewölkungsgrad mit 15 - 30 W/m2 in der Bilanz aus. - Die Wahl eines 10 mal kleineren Rauhigkeitskoeffizientenvermindert den latenten und den fühlbaren Wärmestrom um je Ca. 6 W/m2. - Eine Kontrollrechnung der langwelligen Strahlung mit der Faustregel, dass die Einstrahlung 75 % der Ausstrahlung ausmacht, ergibt eine Erhöhung der langwelligen Strahlung um 4 W/m? 2. Unterschiedliche Datenqualität In den Beechnungen werden Daten, die viertelstündlich erhoben werden verrechnet mit Tagesmittelwerten. Dadurch werden schnell wechselnde Verhältnisse wie die Bewölkung zu wenig genau erfasst. Dies zeigt sich z.B. in den Strahlungsbilanzen im Anhang 4: Um Mitternacht treten oft sprunghafte Aenderungen der Werte auf. Wärmehaushalt einer Kehrichtschlackendeponie 28 R. Habrik Resultate und Diskussion 3.4 Verhältnisse im Schollberg Das Schlackenkompartiment im Schollberg ist relativ klein. Es wird in kurzer Zeit aufgefüllt sein. Die Schichtdicke nimmt demzufolge schnell zu und die Bedingungen für die Wärmeentwicklung sind ideal. Durch die Einlagerung der Schlacke unter Tag und bei konstanter Luftfeuchtigkeit von 97 % fallen in der Wärmebilanz die beiden Terme kurzwellige Strahlung und latenter Wärmestrom weg. Unter diesen Umständen werden sich wahrscheinlich ähnliche Verhältnisse wie in Lufingen einstellen: Durch Wärmeleitung gelangt ein Wärmefluss von Ca. 50 WIm2 von innen an die 0berfläche.Dieser Wärmefluss ist mehr als 5 mal grösser als in der Deponie Riet. Von der Oberfläche weg führen die langwellige Strahlung und der latente Wärme. Die Lufttemperatur beträgt 12°C und jene der Schlackenoberfläche wie in Lufingen zwischen 20 und 30°C. Um den Gashaushalt zu untersuchen, werden nur die Reaktionen, die die Matrixelemente der Schlacke eingehen, betrachtet. Aus der Zusammenstellung dieser Reaktionen (Anhang 8, S. A-39) ist ersichtlich, dass im wesentlichen 3 Gase an diesen Reaktionen beteiligt sind. Es sind dies die Produktion von H2 und CO2 und der Verbrauch von 0 2 . Aufgrund früherer Untersuchungen in einem älteren Kompartiment auf der Deponie Riet ist zu erwarten, dass noch andere Gase (CH4, CO, SO2) in kleinen Mengen produziert werden (Lichtensteiger, 1994). H2 wird hauptsächlich aus der Reaktion gebildet. Die bisherigen Erkenntnisse zeigen, dass nach 2 Jahren erst ein Teil der Reaktionen erfolgt ist. Um eine mögliche Gefährdung in einer Untertagdeponie erkennen zu können, wird ein "worst case" angenommen. Es wird angenommen, dass am Ende des Versuchsbetriebes nach 2 Jahren das Aluminium vollständig oxidiert ist. Aus 1 kg Schlacke können aus obenstehender Reaktion 1.3 mol H2 entstehen. Im ganzen Kompartiment (2500 m3, p = 1350 kgIm3) können so 6.4*1O6 mol H2 entstehen. Das entspricht einem Volumen von 1.45*1O5 m3. Ueber den Zeitraum von 2 Jahren entstehen 8.3 m3 H2/h. Auf ein Volumen von 500 m3 zwischen Oberfläche und Decke könnte sich stündlich eine H2-Konzentrationvon 1.6 Vol. % aufbauen. Der Zündbereich von H2 bei 20 "C liegt zwischen 4 - 74 Vol. %. Diese Konzentration wäre also bereits nach wenigen Stunden erreicht. Obwohl die Aluminiumoxidation nicht so schnell abläuft, muss eine ununterbrochene Wärmehaushalt einer Kehrichtschlackendeponie 29 R. Habrik Resultate und Diskussion Durchlüftung des Zwischenraumes zwischen Schlacke und Decke gewährleistet sein. Sauerstoff wir durch die Oxidation von Sulfiden, dem organischen C und Eisen verbraucht. Bei totaler Oxidation dieser Stoffe in 2 Jahren werden 115'000 m3 oder 6.6 mJ/h verbraucht. Wärmehaushalt einer Kehrichtschlackendeponie 30 R. Habrik Schlussfolgerungen 4. Schlussfolgerungen In die Berechnungen gehen gemessene und berechnete Werte ein. Trotzdem sollte die Wärmebilanz aufgehen, d.h. 0 ergeben. Die natürlichen Schwankungen der gemessenen Sonnenstrahlung sind auch in den Graphiken der Strahlungs- und Wärmebilanz im Anhang 4 zu sehen. Auch die terrestrische Strahlung ist Schwankungen unterworfen. Diese werden vor allem durch die Bewölkung verursacht. Für die Bewölkung steht aber nur ein Mittelwert über einen Tag zur Verfügung. Dies wirkt sich in den Bilanzgraphiken durch sprunghafte Aenderungen der langwelligen Strahlung aus. Um genauere Aussagen über die tatsächlichen lokalen Wärmeverhältnisse zu machen ist die Messung der langwelligen Strahlung unerlässlich. Entscheidend für die Entstehung von hohen Temperaturen im Schlackenkörper ist neben der Schichtdicke auch die Einbauweise. Wird die Schlacke in dünnen Schichten eingebaut und erfolgen während langerer Zeit keine Schlackenanlieferungen, kühlt sie bis zur nächsten Aufstockung bereits sehr stark aus (Aelterer Teil des untersuchten Kompartimentes der Deponie Riet). Daten über die zeitliche Einbauweise sind nur sehr Iückenhaft vorhanden. Die Messungen haben gezeigt, dass die wärmefreisetzenden Reaktionen an allen 3 Standorten ablaufen. Unabhängig davon ob die Schlacke aufbereitet oder vor Regen geschützt wurde, konnte eine Erwärmung festgestellt werden. Kurzfristig sind zwischen einer Deponierung von Schlacke in einer Tag- oder Untertagdeponie bezüglich der Wärmeproduktion keine Unterschiede zu erwarten. Die Belüftung im Bergwerk im Schollberg ist natürlich. Es ist nicht sicher, ob der Luftaustausch kontinuierlich gewährleistet ist. Um zu verhindern, dass sich gefährlich hohe Wasserstoffkonzentrationen ergeben, muss sichergestellt werden, dass der Luftaustausch ohne Unterbrüche funktioniert. Bei allen untersuchten Objekten ist die Datenlage Iückenhaft. Insbesondere fehlen Daten über den zeitlichen Vrelauf des Einbaus. Im Schollberg besteht nun die Möglichkeit, eine Schlackeneinlagerung von Anfang an zu begleiten. Wärmehaushalt einer Kehrichtschlackendeponie 31 R. Habrik Quellenverzeichnis Quellenverzeichnis Baccini. P. und B. Gamper (Hrsg). 1994. Deponierung fester Rückstände aus der Abfallwirtschaft. vdf, Zürich. Belevi, H., D. M. Stämpfli, amd P. Baccini. 1992. Chemical Behaviour of Municipal Solid Waste lncinerator Bottom Ash in Monofolls. Waste Management & Research (1992) 10, P. 153-167. Burman, R., and L. 0. Pochop. 1994. Evaporation, Evapotranspiration and Climatic Data. Elsevier Science B. V., Amsterdam. Busch, G., P.Cotti and H.R.Ott. 1992. Anleitungen zum Physikalischen Praktikum an der ETH Zürich, 14.Auflage. Spefa Druck AG, Zürich. Commissions romandes de mathematique, de physique et de chimie. 1985. Formulaires et tables. Edition du Tricorne, Geneve. Gisi, U., R.Schenker, R. Schulin, F. X. Stadelmann und H. Sticher. 1990. Bodenökologie. Thieme, Stuttgart. Johnson, A. Chemische Eigenschaften und Langzeitverhalten von Müllschlacken. in: Auftraggebergemeinschaft für das Projekt EKESA. 1992. Emissionsabschätzungfür Kehrichtschlacke. EAWAG, Dübendorf. Kohlrausch, F. 1968. Praktische Physik. B. G. Teubner, Stuttgart. Lichtensteiger, Th., Johnnson, A., und H. Belevi. 1994. Neue Qualitäten beim Deponiegut verhindern Altlasten: Endlagerqualität am Beispiel Kehrichtschlacke. EAWAG Jahresbericht 1993. Lichtensteiger Th. (1994) in: Baccini P. und Gamper B. (Ed.), Deponierung fester Rückstände aus der Abfallwirtschaft - Endlagerqualität am Beispiel Müllschlacke. VdF, Zürich Liljequist, G. H. und K. Cehak. 1984. Allgemeine Meteorologie. Vieweg, Braunschweig. Malberg, H. 1985. Meteorologie und Klimatologie. Springer-Verlag, Berlin. Redle, M. 1992. Sulfide in Kehrichtschlacken. Diplomarbeit, EAWAG, ETH Zürich. Schmugge, T. J., and J.-C. Andre. 1991. Land Surface Evaporation. SpringerVerlag, New York. Wärmehaushalt einer Kehrichtschlackendeponie 32 R. Habrik Quellenverzeichnis Stumm W. und J.J.Morgan. 1981. Aquatic Chemistry 2 n d Ed. John Wiley & Sons, New York. Sutton, O.G. Micrometeorology. 1953. Mc Graw Hill, New York. Veron J., Blanchard J.M., ComelC., Navarro A., Revin Ph. und Pillay G.,1989: Les machefers d'incineration dlordures menageres. T.S.M.-L'eau, INSA-Lyon. Waldvogel, A. Unterlagen zur Vorlesung Atmosphärenphysik I, ETH Zürich. Zeltner, Ch. 1992. Eisen in KVA-Schlacken. Diplomarbeit, EAWAG, ETH Zürich. Wärmehaushalt einer Kehrichtschlackendeponie 33 R. Habrik An hangverzeichnis An hangverzeichnis Anhang 1: Messversuch Wärmekapazität (3Seiten) ..................................A-1 Anhang 2: Berechnung der Wärmekapazität (1 Seite) .............................. A-4 Anhang 3: Bodentemperaturkurven (1 Seite) ............................................A-5 Anhang 4: Graphische Darstellungen wochenweise (36 Seiten) ............... A-6 Luft und Bodentemperatur Relative Luftfeuchtigkeit Strahlungsbilanz Fühlbare Wärme Latente Wärme Wärmebilanz 5.1 2..11 .12.94 .................................................................. A-6-A-11 12.12..18.12.94 ............................................................. 19.1 2..25.12.94 ............................................................. A- 18-A-23 26.1 2.94.1.1.95 .............................................................A-24-A-29 A-12-A-17 2.1 ..8. 1.95 .....................................................................A-30-A-35 9.1..15.1.95 ................................................................... A-36-A-41 Anhang 5: Wärmebilanz (1 Seite) ............................................................A-42 Anahng 6: Messprotokolle (1 Seite) ........................................................ A-43 Anhang 7 Berechnung der Wärmeströme (1 Seite) ................................A-44 Anhang 8: Reaktionsenthalpien (1 Seite) ................................................ A-45 Anhang 9: Potentielle Wärmeentwicklung (1 Seite) ..................................A-46 Wärmehaushalt einer Kehrichtschlackendeponie 34 R. Habrik Name: Anhang Hfiblid Zr6t;ln Datum: Z . f ? , Y Y ~1atznumrner:HnJV/f Gruppe: - -- P - P P P - SPEZIFISCHE WAERME C 1. Wtirrnekapazität des Kalorimeters ohne Messsubstanz Heizspannung V = ......deY$......;.. ......,&?L......... Heizstrom I = ~,ZJA .......................... = "U ' t\YWi.. Temperaturverlauf: Hcitu~~ ,&it L t sec o T OC ZA.0 )( 4~ 31.0 crp0 540 S L ~ O 600 3% 37.3 U".? 6d0 EIYo 90; 7 2 0 769 Ifl.9 42,L 93.2 47.5 41.8 W.0 960 4020 n o a '44-l Yq.4 9y.l Graphische Darstellung T(t) ! Ti: 2. ............ Molwärme von ibpfer SL~~G&Q t> ........hv'....... rnb = C"! 3 .....%.6! .......... T2: Molzahl neu = * Mcu = 63,54 Kg/kMoI ...................... A,8FA *& Temperaturverlauf: ,W M Z ? I t sec n T°C 4.j U.: :o) . i 41.4 r p t / ~ 2 ' X ~ e ~ n , a % i t sec 47„ 4 6 2 ,,A-.o T 'C 60 (K,A n ? v > ' X vi.~ j,, L'L,:. yu iio 17 QS 9 .lTyi A+./O L'S-: \\Sc* iro 3 3 $9: ib~hzb g ~ , q , y ~ . Gg : , 2 c ( . y A-1, AS:V A /ifyv .C470 9s qs.9 b.1 L~'J 4 \s 3 Graphische Darstellung T(t) ! T~ = .A8:.71.. TZ = ......?.?.r.Z........... I L . : . ~A A Y T ~ ~ AL?; - ~ ~6:~ 4'4,~L ' L , ~ 6 6 ~43V. . A.&A W+ Wärmehaushalt einer Kehrichtschlackendeponie + mcuccu= ........M.BM ...... = 593,~?; A- 1 T (t) Kalorimeter ohne Messsubstanz 900 Zeit (s) T (t) Kalorimeter mit Messubstanz 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 -1200 -900 -600 -300 0 300 600 Zeit (s) 900 1200 1500 1800 2100 Bodentemperaturen Luft- und Bodentemperatur 5.12.4 1.I 2.94 Lufttemperatur ----- Bodentemperatur Relative Luftfeuchtigkeit 5.12.-11 .I 2.94 1 Relative Luftf. z P): z CD 3 z V> 3 E rC G. 3 2 8 zo3- rC V> ; 0 G 3 a CD U 0 2. CD ? 03 Strahlungsbilanz 5.12.-11.I2.94 fühlbare Wärme 5.12.4 1.12.94 latente Wärme 5.12.4 1.I234 r latente Wärme Wärmebilanz 5.1 2.-11 .I 2.94 1 Wärrnebilanz Luft- und Bodentemperatur 12.12.4 8.12.94 Lufttemperatur ----- Bodentemperatur Relative Luftfeuchtigkeit 12.12.018.1 2.94 L Relative Luftf. Strahlungsbilanz 12.1 2.4 8.12.94 fühlbare Wärme 12.12.-18.12.94 latente Wärme 12.12.-18.12.94 EzIl latente Wärme L C-V a!uodapuay3~ly3~1y3!~ya>( ~au!a$ l e y s n e y a u i ~ ~ ~ z D,: 3 (D 3 E Luft- und Bodentemperatur 19.12.-25.12.94 0) 3 E 2 #-I- 3 3 Lufttemperatur ----- Bodentemperatur Relative Luftfeuchtigkeit 19.12.-25.12.94 r Relative Luftf. Strahlungsbilanz 19.12.-25.12.94 fühlbare Wärme 19.12.-25.12.94 ZZ-V a!uodapuaya~l y3sly3!~ya>1 lau!a 11eys n ~aui~el\n y Wärmebilanz 19.12.-25.12.94 r Wärrnebilanz z D,: 2 E' CD 3 Luft- und Bodentemperatur 26.1 2.94-1 .I.95 V) 13- E E. 4 53 % i3 z 0 3 Luftternperatur G; 0 x CD 2 CD m 0 2. CD ? N P ----- Bodentemperatur Relative Luftfeuchtigkeit 26.1 2.94-1.I .95 r Relative Luftf. Strahlungsbilanz 26.12.94-1 .I .95 fühlbare Wärme 26.1 2.94-1.I-95 Wärmebilanz 26.1 2.94-1 .I .95 L Wärmebilanz Luft- und Bodentemperatur 2.1 .-8.1.95 Luftternperatur ----- Bodenternperatur Relative Luftfeuchtigkeit 2.1 ~8.1.95 r Relative Luftf. Strahlungsbilanz 2.1 .-8.1.95 fühlbare Wärme 2.1 .-8.1.95 latente Wärme 2.1 .-8.1.95 latente Wärme Wärmebilanz 2.1 .-8.1.95 r Wärmebilanz Luft- und Bodentemperatur 9.1 .-15.1.95 Lufttemperatur ----- Bodentemperatur Relative Luftfeuchtigkeit 9.1 .-15.1.95 I Relative Luftf. m m V ) c n c n c n cn cn cn . . F T Y - O T T F - T . . - - T T T T . . m m V ) c n c n c n c n m c n - T - F - . - ~ - T . . T F - T - . . F T - m - Y m Strahlungsbilanz 9.1 .-15.1.95 fühlbare Wärme 9.1 .-15.1.95 r fühlb. Wärme latente Wärme 9.1.-I5.1.95 r latente Wärme Wärmebilanz 9.1 .-15.1.95 r Wärmebilanz V ) V ) I n V) V) C n C n C n C n C n C n Cn Cn Cn 0 T - T - T - T - T T - T - Y T - T C n C n O * T- T . . . . * - . . Cn Cn . . - T - - T - V T V) - ) T - kurzwellige 12.12.-18.12. n.b. = nicht bestimmt -31 kurzwellige kurzwellige langwellige Strahlungs- fühlbar 5 -27 57 31 latent 7 WL(0.2m) 13 Wärmebilanz -6 45 R. Habrik Wärmehaushalt einer Kehrichtschlackendeponie Anhang A-43 R. Habrik Anhang Wärmeströme aus 50 cm Tiefean die Schlackenoberflächen Riet K 0.29 Riet M 0.24 2.4-38.7 1.4-22.4 5 RietA______________ 0.3 8.6-10.6 5.2-6.4 7 7.8-7.8 fortlaufend Die Wärmeleitfähigkeitenwurden aus der Tab. 3 interpoliert, bzw extrapoliert. Die dT-Werte sind aus den Messprotokollen (Anhang 6) entnommen Die Wärmeflüsse wurden nach Fourier WL = Leitf.* dtl dz berechnet. Wärmehaushalt einer Kehrichtschlackendeponie A-44 R. Habrik 2AI(OH)3(s)+ -1293 Anhang OH-230 -> -> n.b. = nicht bestimmt Wärmehaushalt einer Kehrichtschlackendeponie A-45 R. Habrik Wärmehaushalt einer Kehrichtschlackendeponie Anhang A-46
