Roosteroven

1.1. Inleiding

De roosteroven is de meest gebruikte en meest klassieke verbrandingsinstallatie voor vast ongevaarlijk afval. De techniek wordt wereldwijd gebruikt voor de verbranding van huishoudelijk en niet gevaarlijk bedrijfsafval. Roosterovens worden gekenmerkt door een lange verblijftijd, een matig hoge temperatuur en een lage turbulentie. In Vlaanderen bestaan alle verbrandingsinstallaties voor huishoudelijk afval uit een roosteroven. Ook in de EU maken ongeveer 90% van de afvalverbrandingsinstallaties voor huishoudelijk afval gebruik van een roosteroven (Neuwahl et al., 2019). Het Vlaams Gewest telde in 2022 negen zulke verbrandingsinstallaties. Bij de negen installaties gaat het om zeven intercommunaal uitgebate installaties en twee privé-installaties (INDAVER te Beveren en de Biostoom-installatie van BIONERGA nv in Beringen) (OVAM, 2023). Naast huishoudelijk afval wordt hier ook bedrijfsafval (en in mindere mate ook slib en niet risico-houdend medisch afval) verwerkt. In de roosterovens van BIONERGA (Biostoomcentrale) wordt biomassa-afval verwerkt. Tabel 1 geeft een overzicht van de capaciteit van de negen installaties en de aanvoer van afval in 2022 . In totaal werd in de Vlaamse huisvuilverbrandingsinstallaties 1 316 690 ton huishoudelijk en gelijkaardig bedrijfsafval (HAGBA) verbrand (OVAM, 2023). In theorie kon in deze negen installaties 1 389 000 ton verbrand worden, bij een stookwaarde van 10 GJ/ton.

1.2. Werkingsprincipe

Zoals in alle verbrandingsprocessen, wordt bij verwerking in een roosteroven de organische fractie van het afval bij hoge temperatuur en onder toevoeging van een overmaat lucht geoxideerd tot CO2 en water, met vrijgave van de verbrandingswarmte. Indien hetero-atomen zoals Cl, S en N aanwezig zijn, worden deze voornamelijk omgezet in gasvormig HCl, SOx en NOx.

Het afval wordt via een voedingstrechter in de oven gebracht. Deze trechter is zo gedimensioneerd dat ook de grovere delen van de zeer heterogene input er vlot doorheen kunnen. Specifiek voor een roosteroven is dat de toevoer niet via een kleppensysteem verloopt. Het afval zelf, dat in de trechter aanwezig is, sluit de oven af en zorgt er op die manier voor dat een onderdruk gehandhaafd kan worden en dat vlamterugslag voorkomen wordt. Een kleppensysteem is aanwezig, maar dit wordt enkel gebruikt bij het opwarmen van de oven tijdens de opstartfase en in noodsituaties.

De trechter stort het afval op een tafel, vanwaar het door een hydraulisch duwsysteem op het (lucht- of watergekoeld) verbrandingsrooster geduwd wordt.

Op het rooster vindt de eigenlijke verbranding plaats. Hierbij worden vier fases doorlopen. In een eerste fase droogt het afval, in een tweede fase vindt vergassing plaats. Vervolgens ontvlammen de vervluchtigde koolwaterstoffen. Op het einde van het rooster brandt de asrest uit. Het verbrandingsrooster zorgt voor het transport van de vaste stoffen door de oven en de opmenging ervan, meestal door middel van bewegende tegels. De verblijftijd van het afval op de roosters is ongeveer 45-60 min. De rookgassen moeten minstens 2 seconden in de oven verblijven bij minstens 850°C . Onder het rooster zijn trechters opgesteld, voor opvang van fijn materiaal (roosterdoorval). Daarnaast wordt de primaire verbrandingslucht via de trechters toegevoerd. De toevoer (bv. smoor- of regelkleppen) kan per trechter gestuurd worden, aan de hand van temperatuurmetingen die boven het rooster worden uitgevoerd. Hierbij wordt naar een compromis gezocht tussen een goede uitbrand, een daling van de rookgastemperatuur door te sterke verdunning en het volume van de te behandelen rookgassen. 

Roostertypen

Er werden verschillende typen van verbrandingsroosters ontwikkeld:

Hellend rooster: bij het hellend rooster kunnen twee typen worden onderscheiden : het eerste type is licht hellend opgesteld (15 – 30°) met tegels die in de voortgangsrichting bewegen (Noell, Von Roll, Seghers,..). Bij het tweede type rooster bewegen de tegels tegen de voortgangsrichting in. Hierdoor bekomt men een goede terugmenging van de brandende massa. Om het transport van de vaste fractie door de oven mogelijk te maken wordt gebruik gemaakt van een sterke roosterhelling welke de tegengestelde beweging van de tegels moet compenseren. (Martin)

Walsenrooster: Het rooster wordt eveneens hellend uitgevoerd, maar in plaats van bewegende tegels te gebruiken, wordt gebruik gemaakt van geperforeerde cilinders die in de voortgangsrichting draaien. (Babcock)

Horizontaal rooster: het rooster wordt horizontaal opgesteld. De beweging van de roostertegels zorgt voor het transport van de vaste massa. (ABB)

Koelingssystemen voor de roosters

Luchtgekoelde roosters: luchtgekoelde roosters zijn de standaard technologie voor roosterovens. Hoewel deze systemen zeer betrouwbaar zijn in de praktijk en de kostprijs vrij voordelig is, werden onder bepaalde omstandigheden volgende minpunten vastgesteld:

• Hoge verbrandingswaarde veroorzaken bij luchtgekoelde roosters tot een snellere slijtage, hetgeen leidt tot verhoogde operationele kosten.
• de primaire lucht wordt zowel gebruikt als verbrandingslucht als voor de koeling van het rooster. Beide functies kunnen niet ontkoppeld worden. Omdat een deel van de primaire verbrandingslucht gebruikt moet worden als koelmiddel, kan deze niet optimaal gebruikt worden voor het verbrandingsproces.

Watergekoelde roosters: Om tegemoet te komen aan bovenvermelde minpunten, eigen aan luchtgekoelde roosters, werden de watergekoelde roosters ontwikkeld Bij het toepassen van watergekoelde roosters, kan de hoeveelheid lucht gereduceerd worden. Dit biedt voordelen voor de reductie van primaire NO-productie. Ook de thermische belasting van het rooster kan stijgen. Bovendien wordt de oventemperatuur gereduceerd door het onttrekken van warmte aan de oven. Een nadeel van watergekoelde rooster is dat het systeem complexer wordt met mogelijke problemen naar beschikbaarheid van het systeem. Het waterkoelsysteem is geïntegreerd in het luchtvoorverwarmsysteem zodat de warmte gerecupereerd kan worden.

De rookgassen worden door een naverbrandingskamer gevoerd, waar secundaire verbrandingslucht wordt toegevoerd. De warmte uit de rookgassen kan worden gerecupereerd door middel van een stoomketel (zie 1.3.).

Rookgassen worden vervolgens door allerlei nageschakelde technieken gezuiverd voor ze via de schouw worden geëmitteerd (zie 1.4.).

1.3. Energierecuperatie

De roosterovens maken gebruik van energierecuperatie, door middel van een stoomketel.De thermische energie van de rookgassen wordt gebruikt om oververhitte stoom van 40 bar en 400°C te produceren. De stoomketel bestaat uit een groot aantal buizen welke gevuld zijn met water. De rookgassen worden doorheen de stoomketel geleid waardoor het ketelwater opwarmt. In de eerst verticale lege trek van de ketel die geïntegreerd is in de ovenwand, gebeurt de warmteoverdracht door straling. In het tweede gedeelte zijn economizers, verdampers en oververhitters opgesteld, die de warmte van de rookgassen convectief opnemen. In de economiser wordt het water opgewarmd door de gassen tot ongeveer het kookpunt, in de verdamper wordt het water afkomstig van de economiser verder verwarmd tot verzadigde stoom wordt gevormd. Daarna wordt in de oververhitter de verzadigde stoom verder verwarmd tot oververhitte stoom (standaard 400°C en 40 bar). De stoom wordt meestal gebruikt voor elektriciteitsproductie aan de hand van een stoomturbine. Deze elektriciteit dient deels voor eigen behoeften, maar wordt voornamelijk op het elektriciteitsnet geplaatst. De vrijgekomen energie kan echter ook ingezet worden als proceswarmte voor eigen behoefte of als stoom of warm water voor externe afnemers.

1.4. Rookgasreiniging

Een belangrijk onderdeel van een verbrandingsinstallatie is de rookgasreiniging. Voordat de rookgassen worden geëmitteerd dienen deze te worden gezuiverd om aan de geldende emissiegrenswaarden te voldoen. De zuivering van de rookgassen gebeurt steeds in verschillende stappen. De opeenvolging van de luchtzuiveringstechnieken kan verschillen tussen de verbrandingsinstallaties, waaronder bijvoorbeeld:

• Halfnatte zuurverwijderingstrap: sproeireactor met injectie van kalkmelk, voor de verwijdering van zure componenten (SO₂, HCl, ...);
• Elektrostatische stofafscheiding
• Actief kool-injectie: voor de verwijdering van dioxines, furanen en kwik;
• Doekfilter/mouwenfilter: voor verwijdering van stof, het kalkresidu en de actief kool;
• Een katalytische of een niet-katalytische reductie: voor de verwijdering van NO_x.

Eventueel wordt de zuivering aangevuld  met een natte gaswassing, voor verdere verwijdering van zure componenten.

Voor een technische beschrijving van deze technieken verwijzen we naar LUSS-tool (luchtzuiveringstechnieken) op de EMIS website.