Grond, zeefzand en bagger specie: Grondstof voor nuttig toepasbare produkten?

o

GROND, ZEEFZAND

EN BAGGERSPECIE

grondstof voor

nuttig toepasbare

produkten?

Redactie: ir R.H.P. Ringeling

GROND, ZEEFZAND EN BAGGERSPECIE

grondstof voor nuttig toepasbare produkten?

GROND, ZEEFZAND EN BAGGERSPECIE

grondstof voor nuttig toepasbare produkten?

Redactie: ir. R.H.P. Ringeling

Published and distributed by: Delft University Press Mekelweg 4 2628 CD Delft The Netherlands Telephone: + 31 15 2783254 Telefax: + 31152781661 E-mail: DUP@DUP.TUDelft.NL ISBN 90-407-1786-9 I CIP Copyright 1998 by R.H.P. Ringeling

All rights reserved. No part of the material protected by this copyright ootice may be reproduced or utilized in any form or by any means, electronic or mechanical, inclu-ding photocopying, recording or by any information storage and retrieval system, without written permission from the publisher: Delft University Press.

VOORWOORD

Het T-2000 programma is een onderzoeksprogramma van het Ministerie van VROM, directie Afvalstoffen. Novem draagt zorg voor de uitvoering. Het programma is gericht op de ontwikkeling en bevordering van verwerkingstechnologieën, die bijdragen aan een

vermindering van de belasting van het milieu. Het deelprogramma natte deeltjesscheiding richt zich specifiek op natte verwerkingsprocessen voor grond, zeefzand en baggerspecie.

Op het symposium "Grond, zeef zand en baggerspecie: grondstof voor nuttig toepasbare produkten ?" is ingegaan op enkele binnen het T-2000 programma uitgevoerde onderzoeken. Ook zijn er drie parallelle discussies geweest rond de thema's Technologie ontwikkeling, Karakterisering en Opwerking residufractie.

Het symposium is gehouden op 10 september 1998 in Amsterdam.

Dit boek bevat een samenvatting van de presentaties van het symposium. De presentaties zijn gegroepeerd per thema. Per thema is ook een samenvatting van de discussie weergegeven. Voor nadere informatie betreffende het onderzoeksprogramma T-2000 wordt verwezen naar Novem.

Namens de Werkgroep Bodem wil ik een ieder bedanken die op de één of andere wijze heeft meegewerkt aan dit symposium en aan de totstandkoming van dit boek. Een speciaal woord van dank gaat uit naar Novem en de Faculteit Technische Aardwetenschappen van de TU Delft voor hun financiële bijdragen.

Inhoud

INLEIDING 1

GRONDSTOFFEN VOOR NUTTIGE TOEPASBARE PRODUKTEN UIT GROND, ZEEFZAND EN

BAGGERSPECIE 2

TECHNOLOGIE ONTWIKKELING 5

MONITORING VAN SCHEIDINGSINSTALLATIES 6

VERLAGING VAN HET SCHEIDINGSPUNT BU OPSTROOMCLASSIFICATIE 14 HOGER SCHEIDINGSRENDEMENT MET GEPULSEERD BED SCHEIDING VOOR

VERONTREINIGDE MATERIALEN 23

DISCUSSIE TECHNOLOGIE ONTWIKKELING 36

KARAKTERISERING 39

T-2000 DEELTJESSCHEIDINGS GESCHIKTHEIDSPROEF (TDG-PROEF) VOOR

VERONTREINIGDE GROND EN BAGGERSPECIE 40

ONTWIKKELING VAN EEN EXPERTSYSTEEM VOOR NATTE DEELTJESSCHEIDING 47

DISCUSSIE KARAKTERISERING SS

OPWERKING RESIDUFRACTIE 57

KLEI-AFSCHEIDING UIT BAGGERSPECIE S8

VERWERKING VAN GRONDREINIGINGSRESIDU TOT EEN NUTTIG TOEPASBAAR PRODUCT DOOR MIDDEL VAN THERMISCHE BEHANDELING EN NAGESCHAKELDE TECHNIEKEN 64

inleiding

GRONDSTOFFEN VOOR NUTTIGE TOEPASBARE PRODUKTEN UIT GROND, ZEEFZAND EN BAGGERSPECIE

1. Th. Weisscher (dagvoorzitter)

Ministerie van VROM

Directoraat Generaal Milieubeheer, Directie afvalstoffen.

Achter de keuze van de titel van dit symposium zit een boodschap verpakt in het afvalverwijderingsbeleid. In dit beleid worden een aantal prioriteiten onderkend die zijn vastgelegd in artikel 10.1 van de Wet milieubeheer. In beeld ziet dit er als volgt uit.

AFVAL IN NEDERLAND

VOORKEURSVOLGORDE AFVALVERWIJDERING

Wet milieubeheer; hoofdstuk afvalstoffen: art. 10.1

• Produkthergebruik

* Materiaalhergebruik

* Nuttige toepassing

inkiJing

De onderste trede van deze ladder is storten. Dit moet zoveel mogelijk worden voorkomen. De volgende trede is verwijderen met energieterugwinning. Dit is met deze afvalstromen niet aan de orde. Bij Nuttige toepassing gaat het meestal over een afvalstof die wordt gebruikt in de plaats van een primaire grondstof. Het streven is op deze ladder nog een trede hoger te gaan staan en Materiaalhergebruik na te streven.

Dit vereist een andere benadering. Geen benadering vanuit de optie van het reinigen van deze afvalstromen, maar vanuit de optie dat "verontreinigde" grond, zeefzand en baggerspecie grondstoffen zijn waarin verhandelbare producten zitten. De behandeling is te vergelijken met de bewerking van delfstoffen. De bewerking die wordt losgelaten op een delfstof is gericht op het maken van het verhandelbare product. Bij behandeling van "verontreinigde" grond, zeefzand en baggenpecie is de vraag welke bewerkingen moeten op deze "grondstof" los worden gelaten om er één of meerdere verhandelbare producten uit te maken.

De projecten die in het kader van T -2000 natte deeltjesscheiding zijn uitgevoerd hebben veel informatie opgeleverd over de mogelijkheden van de technieken en de monitoring van de processen, hieruit ontstaat meer inzicht over wat er tijdens de bewerkingen met de stoffen gebeurt. Een ander niet onbelangrijk aspect is de karakterisering van de "grondstof' (De verontreinigde grond, baggerspecie en zeefzand). Om er een goed product uit te maken, zal vooraf met behulp van karakterisatie duidelijk gemaakt moeten worden welke niet gewenste componenten, in welke hoedanigheid er in de "grondstof' voorkomen. Al deze informatie wordt ondergebracht in een "expertsysteem" waarmee het mogelijk moet zijn op basis van een goed gekarakteriseerde "grondstof' te bepalen welke verhandelbare producten uit deze grondstof zijn te maken, met welke technieken en met een globale prijsindicatie. Tot slot een globaal overzicht van de hoeveelheden "grondstof'.

Hoeveelheden baggerspecie in 106 m3 nat slib de komende 20 jaar

Rijkswateren Regionale wateren Tolaal

specieldasoe Onderboud Sanering Onderhoud Sanering Onderhoud Sanering

(l0 jaar) (lOjaar) (lOjaar) (eenmalig) (l0 jaar) (eenmalig)

klasse 0,1 374 76 450

klasse 2 110 178 228

klasse 3 21 32 54 8 75

klasse 4 5 43 36 4 41

Tolaal 510 75 344 12 794

Bron: Waterbodems, vandaag baggeren, morgen oog;ten

De hoeveelheden verontreinigde grond zijn sterk afhankelijk van het aantal

saneringsprojecten en die zijn weer afhankelijk van de hoeveelheid beschikbaar geld en de complexiteit van de te saneren projecten. In dit overzicht zijn hoeveelheden in kton weergegeven die in 1997 zijn verwerkt.

~reinigd 1.735

~tort 1.000

Direct (ongereinigd) hergebruik 1.000 - 2.000

Voor de hoeveelheden zeefzand zijn slechts de volgende schattingen te geven in kton/jaar.

Sorteerzeef zand 250 -400

Brekerzeefzand 525

40

47

T echn%gu. olllwikkeling

MONITORING VAN SCHEIDINGSINSTALLATIES S.C. van Winden

ARCADIS Heidemij Realisatie

Inleiding

Monitoring is een onmisbaar instrument voor het ontwikkelen van scheidingstechnologie. Monitoring houdt in: het intensief volgen van het scheidingsproces, of onderdelen daarvan, met als doel om inzicht te krijgen in de relatie tussen ingevoerde grond, procesvoering en het resulterende product.

In dit artikel wordt kort aandacht besteed aan de toepassing van natte deeltjesscheiding in de grondreinigingsinstallatie van ARCADIS Heidemij Realisatie. Vervolgens wordt ingegaan op technologieontwikkeling, door monitoring. De algemene werkwijze voor

technologieontwikkeling zal worden geûlustreerd aan de hand van een monitoringsonderzoek van het tlotatieproces. Dit onderzoek is uitgevoerd in het kader van het T-2000 programma van VROM dat wordt beheerd door Novem.

Natte deeltjesscheiding met behulp van natte grondreinigingsinstallaties

De werking van natte deeltjesscheiding is gebaseerd op het feit dat deeltjes in grond verschillen in fysisch/chemische eigenschappen, zoals: grootte, dichtheid, magnetische eigenschappen en oppervlakte specifieke eigenschappen. Bij natte deeltjesscheiding wordt de grond in slurryvorm door een installatie geleid, waarin deze deeltjes op grond van de verschillende eigenschappen van elkaar kunnen worden gescheiden.

Normaal gesproken is de verontreiniging in de grond verdeeld over een beperkte fractie deeltjes. Door deze kleine fractie afte scheiden wordt de verontreinigde grond gescheiden in een grote hoeveelheid herbruikbaar zandproduct en een kleine sterk verontreinigde restfractie.

De natte deeltjesscheidingstechnologie die wordt toegepast in natte grondreinigingsinstallaties vindt zijn oorsprong in de mijnbouw en wordt al sinds 1984 door ARCADIS toegepast voor het reinigen van grond en baggerspecie.

-

---~--- - - - --

-Technologie onrwikkeling

In figuur I is één van de mobiele natte grondreinigingsinstallaties van ARCADIS Heidernij Realisatie te zien.

Figuur J: Eén van de mobiele grondreinigingsinstallaties van ARCADIS.

De natte grondreinigingsinstallatie van ARCADIS in Moerdijk (zie figiJur 2) bestaat uit een groot aantal verschillende scheidingstechnieken, waarmee een brede range aan soorten verontreinigde grond kan worden behandeld, bijvoorbeeld:

techniek • zeven en hydrocyclonen: • gravitatieve afscheiders: • magneetafscheider: • flotatie: scheidingsprincipe deeltjesgrootte dichtheid magnetische eigenschappen oppervlaktespecifieke eigenschappen ...

~~,;eVing

~

.~

_ . . . grof materiaal

I

[ residu

,,,"""

..

tJ~"~f:

·

-,1IIIit_---..

~

afscheiders . . . _~ . . _~-~~ product concentraat

Figuur 2: Vereenvoudigd stroomschema van de grondreinigingsinstallatie van ARCADIS Heidemij Realisatie in Moerdijk

Technologie ontwikkeling

De capaciteit van de installatie is ongeveer 200.000 ton per jaar, oftewel 30 tot 40 ton per uur.

In _{deze installatie is het monitoringsonderzoek naar de flotatie uitgevoerd.}

Technologie ontwikkeling

Een groot aantal scheidingstechnieken is goed doorontwikkeld, zodat ervaring en kennis beschikbaar is over de samenhang tussen:

• de specificaties van de ingevoerde grond; • de procesvoering, en

• de kwaliteit van het resulterende zandproduct.

De optimale procesvoering kan worden vastgesteld op basis van de karakteriseringsgegevens van de verontreinigde grond en de vereiste kwaliteit van het eindproduct. Tijdens de

praktijkverwerking van _{de grond zal zowel het proces als de productkwaliteit worden}

gemonitord ter controle. Deze werkwijze is schematisch weergegeven in figuur 3.

Procesvoering = functie (invoer, product)

ke,:"i,

t

t

karakterisering I eis

Figuur 3: _{Schematische weergave van de werkwijze}

Als _{niet voldoende kennis beschikbaar is over de relatie tussen ingevoerde grond,} procesvoering en product, dan kan de effectiviteit van desbetreffend deelproces niet met

voldoende zekerheid worden voorspeld. Hierdoor wordt het eindresultaat van de grondreiniging onzeker.

Systematische monitoring van de praktijkverwerking van verontreinigde grond is dé geëigende

manier om technologische kennis te ontwikkelen ten behoeve van de natte deeltjesscheiding. Door de systematische monitoring van de procesvoering (variabel) en productkwaliteit te koppelen aan de karakterisering van de ingevoerde verontreinigde grond, wordt de samenhang tussen deze drie factoren inzichtelijk.

~ - - - ~-~~~~~--- - - -

-Technologie ontwikkeling

Flotatie

Het T-2000 monitoringsonderzoek is uitgevoerd op het deelproces flotatie. Flotatie is een techniek voor deeltjesscheiding, die is gebaseerd op verschillen in

oppervlaktelading van de gronddeeItjes in de waterfase. Deeltjes die hydrofoob (waterafsto-tend) zijn, hechten aan luchtbellen die in het water zijn gebracht. Deze deeltjes bewegen zich met de luchtbellen naar het vloeistofoppervlak, waar zij in een schuimlaag opgevangen worden.

Door verwijdering van de schuimlaag wordt de scheiding teweeggebracht. In figuur 4 zijn factoren aangegeven die het flotatieproces beïnvloeden.

zandslurry fysische factoren fYsisch invoerdebiet droge stofgehaJte luchtdebiet chemische factoren

t

- -.. ~~ schoon zand mechanisch agitatie reactorontwerp luchttoevoer (enkele %) mechanische factoren chemisch receptuur pH hulpstoffen Figuur 4: factoren die het jlotatieproces betnv/oeden.

In figuur 5 is de flotatieapparatuur van de reinigingsinstallatie in Moerdijk schematisch weergegeven. Er zijn twee hoofdonderdelen te onderscheiden. In de 'conditionering' wordt de

'grond'slurry geconditioneerd met de hulpstoffen, vervolgens vindt in de 'flotatiecellen' het daadwerkelijke flotatieproces plaats.

Technologie onrwikkeling

stroom in

concentraat

Figuur 5: Schematische weergave van de jlotatieapparatuur in Moerdijk

Flotatie is een zeer effectieve polishingtechniek voor organische verontreinigingen. Ook voor zware metalen is flotatie goed inzetbaar. De effectiviteit van het flotatieproces is voor dergelijke verontreinigingen echter minder voorspelbaar.

Het monitoringondenoek

De werking van de flotatie is op praktijkschaal bij drie partijen grond onderzocht. Daartoe zijn de partijen uitgebreid gekarakteriseerd. Vervolgens is bij elk van deze partijen een aantal meetseries uitgevoerd, waarbij de belangrijkste procesveranderingen zijn getest. Tijdens de meetseries zijn de relevante processtromen van het flotatieproces bemonsterd en gemeten.

Door bij duidelijk gedefinieerde procesvariaties de in- en uitgaande stromen te monitoren ontstaat inzicht in het effect van de variatie op de prestatie van de flotatie.

Resultaten

Hieronder wordt ter illustratie een klein deel van de resultaten besproken van de monitoring van de reiniging van een met koper verontreinigde grond.

Een belangrijk onderdeel van de karakterisering van de invoer bestond uit microscopisch onderzoek. Met behulp van verschillende technieken als: stereomicroscopie en REMIRMA (elektronen- en rontgenmicroscopie) kon een duidelijk beeld worden verkregen van de wijze van voorkomen van het koper in de grond. Koper bleek voor te komen als:

= - - -

---Technologie ontwikkeling

• metaaldeeltjes;

• als vlekjes en/ofversmeerde aanslag op deeltjes, en • in combinatie met ijzer en sulfiden.

In figuur 6 is één van de microscopische opnames te zien met daarop een klein koperdeeItje als metaaldeeltje tussen grotere zandkorrels.

puur koperdeeitje (20 flm)

Figuur 6 Opname met de elektronenmicroscoop

De monitoring van het flotatieproces van één partij grond bestond uit drie meetseries van vijf uur elk. Per meetserie zijn veschillende procesvoeringen getest. Tijdens de monitoring werden belangrijke procesparameters gemeten (debieten, droge stofgehaltes, pH receptuur, etc ... ) en werden monsters genomen van vijf deel stromen van het proces. De monsters van de processtromen zijn geanalyseerd met behulp van:

• korrelgrootteverdeling • microscopie

• chemische analyse (fracties en totaal)

Daarnaast is met behulp van laboratoriumflotatie bepaald wat de maximaal haalbare

rendementen voor de betreffende partij grond zouden zijn onder optimale conditionerings- en flotatieomstandigheden.

De monitoringsseries voor de drie partijen grond leveren een zeer grote hoeveelheid data op. Ter illustratie staan in tabel 1 de rendementsresultaten van één van de monitoringsseries van de koperpartij .

l

i

I·

I I

Technologie onJwikkeling

Tabe/I: Resu/taten van één van de monitoringsseries

fractie ~m stroom in stroom uit rendement

ppm ppm % > 500 66 72 -9 250-500 20 17 14 125-250 17 14 13 63-125 36 30 17 38-63 75 57

\

24 < 38 230 158 3 I totaal 27 21

~

(gem eten)

De resultaten in tabel 1 laten zien dat per fractiegrootte verschillende flotatierendementen worden gehaald. Het totale rendement is 22%. Dit is een goed resultaat, vergeleken met het maximaal haalbare rendement, dat met behulp van labflotatie is vastgesteld. Hierbij moet worden bedacht dat flotatie een polishingtechniek is en dat de bulkverwijdering van de verontreinigingen al in voorafgaande stappen heeft plaatsgevonden.

Wanneer de resultaten, zoals die in tabel 1, worden gekoppeld aan de gegevens van de karakterisering (o.a. de microscopische analyses), dan ontstaat een goed inzicht in de relatie

tussen:

• de specificaties van de ingevoerde grond;

• de instellingen van het flotatieproces (procesvoering, en • de kwaliteit van het zandproduct.

Conclusie van het monitoringsonderzoek van het flotatieproces

Samengevat leiden de conclusies van het onderzoek tot de volgende algemene uitspraken.

Met de karakterisering kan een goed beeld worden gevormd van de wijze waarop zware metalen in de verontreinigde grond voorkomen.

Aan de hand van de karakterisering kunnen kwalitatieve en kwantitatieve uitspraken worden gedaan over de te verwachten effectiviteit van de flotatie.

Het monitoringonderzoek heeft geleid tot een structureel beter inzicht in het flotatieproces en resulteerde in mogelijkheden voor significante procesverbeteringen.

Met dit onderzoek zijn aldus een aantal concrete mogelijkheden gecreëerd om eventueel

· ~ - - -

-Technologie ontwikkeling

De goede resultaten van het flotatieonderzoek bevestigen dat monitoring van de praktijkreiniging een goede methode is, om te komen tot snelle en relevante technologieontwikkeling.

- - -

-Technologie onJwikkeling

VERLAGING VAN HET SCHEIDINGSPUNT BIJ OPSTROOMCLASSIFICATIE R.A. MasseeJ en H. van Muijen2

I IHC Holland

2 MTI Holland en TU Delft

Samenvatting

Momenteel ligt het commerciële scheidingspunt bij opstroomc/assificatie op ongeveer

lOO-125 f.DrI. bij een dichtheid van 1600-1800 kg/m3. Verlaging van het scheidingspunt kan het

volume van de te storten fractie reduceren. wat een besparing van het milieu oplevert. Een verlaging van het scheidingspunt raakt aan de fysische mogelijkheden van

opstroomc/assificatie. Daarom is er in een vooronderzoek onderzocht hoe de belangrijke parameters zich ontwikkelen. Op basis van het vooronderzoek zijn er testen uitgevoerd met een verontreinigde baggerspecie. Na voorbewerking met een hydrocyc/oon (om een eerste reiniging aan te brengen) en een opstroomkolom (om de maximale korrelgrootte te beperken) blijkt het mogelijk te zijn om het scheidingspunt te verlagen tot ongeveer 60 f.DrI. bij een scheidingsdichtheid van 1420 kg/m3. Hierbij wordt het organisch gehalte gereduceerd tot 1 %

ofminder en vrijwel alle PAK wordt uit de voeding gescheiden.

Inleiding

Bij hydrocyc1onage wordt gescheiden op massa, wat als nadeel met zich meebrengt dat grote lichte organische (verontreinigde) deeltjes in dezelfde stroom als de schone, kleinere (zand) deeltjes, terechtkomen. Steeds vaker wordt een opstroomc1assificatie als tweede stap

nageschakeld om de organische fractie uit het dan nog steeds enigszins verontreinigde zand te verwijderen. In opstroomc1assificatie wordt gebruik gemaakt van een scheiding op dichtheid en korrelgrootte.

Het commerciële scheidingspunt ligt bij opstroomc1assificatie momenteel op ongeveer 100 -125 flm, bij een scheidingsdichtheid tussen 1600 en 1800 kg/m3. De onderloop bestaat hierbij uit schoon zand groter dan de hierboven genoemde 100 - 125 flm. De bovenloop wordt gevormd door zand deelt jes kleiner dan 100 - 125 flm en het organisch materiaal lichter dan de scheidingsdichtheid. Door verlaging van het scheidingspunt (bij voldoende scheiding op dichtheid) kan een gedeelte van de schone zandfractie, die momenteel verloren gaat in de

=--=--- - - - ~ - - -

-Technologie onrwikkeäng

overloop, toch gewonnen worden. Voordeel hiervan is een vermindering van de te storten of verder te verwerken restfractie en het volume van het herbruikbare materiaal neemt bovendien toe.

In dit onderzoek wordt nagegaan in hoeverre verlaging van het scheidingspunt mogelijk is zonder een verlies aan het dichtheidsscheidingseffect. Omdat verlaging van het scheidingspunt raakt aan de fYsische mogelijkheden van opstroomclassificatie, zijn in een vooronderzoek de kritische procesparameters nader onderzocht. Vervolgens zijn met een verontreinigde baggerspecie experimenten met een verlaging van het scheidingspunt uitgevoerd, om toepassing in een milieuapplicatie te testen.

Fluïdisatie

Fluïdisatie speelt een grote rol in opstroomclassificatie. Alvorens hier verder op in te gaan wordt dit fluïdisatieproces in deze paragraaf verder omschreven.

De bezinksnelheid van een deeltje in een vloeistof wordt bepaald door de korreldiameter en de dichtheid. De bezinksnelheid neemt toe bij toenemende dichtheid en diameter. Als niet één deeltje, maar een aantal deeltjes bezinken worden zij in hun bezinking gehinderd. De bezinksnelheid van een aantal deeltjes, ofwel zwermbezinksnelheid, wordt bepaald door de valsnelheid van de individuele deeltjes en hun onderlinge afstand. De onderlinge afstand kan worden uitgedrukt met de porositeit. De porositeit is de volume fractie lege ruimte. Bij afname van de porositeit neemt het aantal deeltjes per volume eenheid toe en neemt dus de

zwermbezinksnelheid af.

Als een zwerm deeltjes in suspensie wordt gehouden door een omhoog gerichte

vloeistofstroom spreekt men van fluïdisatie. De afstand tussen de deeltjes (porositeit) wordt bepaald door de zwermbezinksnelheid en de opwaartse snelheid van de vloeistof. Uitgaande van een situatie waarin de deeltjes op elkaar liggen zal bij toename van de vloeistofstroom de minimum fluïdisatiesnelheid worden bereikt. Hier beginnen de deeltjes net te fluïdiseren. Bij verdere toename van de vloeistofsnelheid bewegen de deeltjes verder uit elkaar en neemt de porositeit toe. Uiteindelijk zullen de deeltjes, bij verdere toename van de vloeistofsnelheid, door de vloeistof worden getransporteerd.

Bij een te lage fluïdisatiesnelheid kan het voorkomen, dat de vloeistof slechts door een gedeelte van het oppervlak stroomt en kanalen vormt in het fluïde bed. Dit effect ontstaat doordat de vloeistof door dat gedeelte van het fluïde bed stroomt waar de weerstand het laagst is. Voor het resterende oppervlak is dan nog minder water beschikbaar, waardoor dit effect versterkt wordt. Dit fenomeen wordt kanaalvorming genoemd en treedt op vlak voor het bereiken van de minimum fluïdisatiesnelheid.

Bij het bereiken van de minimum fluïdisatiesnelheid is de porositeit minimaal, omdat de deeltjes nog net tegen elkaar aan liggen. De suspensiedichtheid, die rechtstreeks uit de porositeit kan worden afgeleid, is dan maximaal. Omgekeerd is bij een maximale porositeit de

Opstroomclassificatie

Bij opstroomclassificatie wordt het korrelmateriaal van bovenaf in een kolom gebracht, waar een opwaartse stroom heerst, waardoor de deeltjes daardoor in hun bezinking gehinderd worden. De deeltjes met een lagere valsnelheid worden door het opstromende water meegenomen, deeltjes met een hogere valsnelheid worden opgenomen in het tluïde bed.

De aanwezigheid van de deeltjes en de opwaartse stroom resulteert in een bepaalde

T echn%gie ontwikkeling

Voeding

Ond.~oop (grol')

Figuur 1 De verschillende zones en stromen in een opstroomkolom

porositeit ofwel suspensiedichtheid. Deeltjes met een hogere dichtheid dan de

suspensiedichtheid worden in de suspensie opgenomen. Bij deeltjes met een lagere dichtheid gebeurt dit niet en deze zullen via de bovenloop worden afgevoerd. Scheiding vindt dus plaats op basis van het verschil in valsnelheid en het verschil in dichtheid tussen de deeltjes en de suspensie.

In figuur 1 is een schematische doorsnede van een opstroomkolom weergegeven. De voeding

wordt, via een pijp, bovenin toegevoerd en verspreid via een verdeelplaatje. Het tluïdisatie-water wordt aan de onderzijde toegevoegd. De bovenloop met de fijne en organische bestanddelen verlaat de kolom via de overlooprand. De onderloop bestaat uit schoon zand en wordt hier afgesloten met een klep.

Deze klep wordt aangestuurd door een dichtheidsmeting bovenin de kolom. Bij toename van de dichtheid bevindt zich meer grof materiaal in de kolom en wordt de klep vaker geopend. Bij afname van de dichtheid wordt de klep juist minder vaak geopend. Hierbij dient vermeld te worden dat het type opstromer dat weergegeven is in figuur 1 zich niet leent voor dit onderzoek door het discontinue karakter van de afvoer. De opstromer, die in dit onderzoek gebuikt wordt, staat weergegeven in figuur 2.

In de kolom zijn drie denkbeeldige zones te herkennen: de overloopzone, de ontmengingszone en de tluïdebed-zone. Er wordt verondersteld dat de scheiding in de ontmengingszone plaatsvindt, waar het fijne en organische materiaal zich naar boven begeeft, terwijl het grove materiaal naar beneden zakt. De overloopzone bestaat voornamelijk uit fijne en organische deeltjes, terwijl de tluïdebed-zone uit de uitgezakte grove bestanddelen bestaat.

De superficiële watersnelheid (d.w.z. de snelheid t.o.v. de wand) wordt in de fluïdebed-zone constant verondersteld. In de ontmengingszone neemt deze watersnelheid toe door het water dat met de voeding meekomt. Een verdere toename van de superficiële watersnelheid treedt op in de overloopzone door de aanwezigheid van de voedingspijp en de strorningseffecten daar

-

- - -

-T echnowgie ontwikkeling

omheen. Door toename van de watersnelheid en marne van de gemiddelde korreldiarneter (en

dus de zwermbezinksnelheid) neemt de suspensiedichtheid met de kolomhoogte af.

Het scheidingspunt op korrelgrootte wordt bepaald door de superficiële watersnelheid en de

porositeit (dichtheid) in de overloopzone. Om het scheidingspunt te kunnen verlagen, kan de

dichtheid of de watersnelheid verlaagd worden. Beide zijn echter gebonden aan een minimum.

De suspensiedichtheid moet voldoende groot zijn om de organische bestanddelen te kunnen

afscheiden. De watersnelheid, die bepaald wordt door het fluïdisatiewater en het water dat

meekomt met de voeding, kan niet verder verlaagd worden, omdat de hoeveelheid

fluïdisatiewater voldoende groot moet zijn om de grove delen gefluïdiseerd te houden, omdat

anders kanaalvorming kan optreden wat een nadelig effect heeft op het proces. Verder kan de

voeding slechts tot een bepaalde waarde worden ingedikt.

Methoden van de uitgevoerde experimenten

De experimenten zijn uitgevoerd met de opstelling,

zoals is weergegeven in figuur 2. Uit de werkbak wordt

het materiaal naar een 4" cycloon gepompt. De cycloon heeft een scheidingspunt van 10-15 Ilm en wordt gebruikt om het materiaal in te dikken. De bovenloop van de cycloon wordt teruggevoerd naar de werkbak. De onderloop van de cycloon wordt gebruikt als

voeding van de kolom. De voeding kan worden

gedoseerd d.m.v. de splitter. Het gedeelte dat niet als voeding wordt gebruikt, wordt eveneens teruggevoerd

naar de werkbak.

De kolom is een schaalmodel ontwikkeld door Promin. De in de praktijk gebruikelijke regelsystemen zijn hier

niet toegepast, omdat ze niet geschikt zijn voor de Figuur 2 Opstelling zoals gebruikt bij project 1

kleine capaciteit van de opstelling. Bij deze kolom wordt het opstroomwater aan de onderzijde

via een bundel geperforeerde pijpen toegevoegd. Onder de pijpen is een trechter bevestigd om

het materiaal verder in te dikken. Aan de onderzijde van de trechter is een afsluiter bevestigd, waarmee de onderloop continu kan worden ingesteld. Op deze wijze kan het grove materiaal

continu worden afgevoerd, waardoor het proces hierdoor niet beïnvloed wordt.

Door alle stromen op te vangen in de werkbak kan er met deze opstelling gerecirculeerd worden. Dit heeft als voordeel dat de hoeveelheid van het verbruikte materiaal beperkt wordt.

Er wordt gerecirculeerd bij het instellen van de proeven en het proefdraaien met de kolom. Bij

de experimenten wordt er handmatig gevoed en worden de onder- en bovenloop apart opgevangen om zo een representatief monster te krijgen. De kolom wordt pas bemonsterd, als de inhoud van de kolom minstens één keer is vervangen.

Tecltn%gie ontwikkeling

Resultaten

Vooronderzoek met schoon zand

Alvorens te beginnen aan de experimenten met de verontreinigde baggerspecie, waarbij het scheidingspunt verlaagd is, heeft er eerst een vooronderzoek met schoon zand plaatsgevonden.

In het vooronderzoek is onderzocht wat de invloed is van het opstroomdebiet en samenstelling van de voeding op de suspensiedichtheid, gemeten op verschillende diepten in de kolom. Ook is er gekeken naar het optreden van kanaalvorming en is het scheidingspunt bepaald.

Bij uitvoering van de experimenten is de opstroomsnelheid niet verder verhoogd, wanneer de suspensiedichtheid onder de arbitraire waarde van 1400 kg/m3 zakte. Omdat de dichtheid van de organische verontreinigingen als PAK ongeveer 1100-1200 kg/m3 zijn, is verondersteld dat een minimale waarde van 1400 kg/m3 nodig was om deze verontreinigingen goed te kunnen scheiden. Andere organische bestanddelen, zoals fossiel hout, waarvan de dichtheid kan oplopen tot 1600 kg/m3, kunnen bij deze dichtheid in de onderloop terecht komen.

De korrelgrootteverdelingen van de vier soorten zand, die in het vooronderzoek getest zijn,

zijn weergegeven in figuur 3. Het eerste zand (Woerden) is het grofste zand dat getest is en heeft een dso van 190 J.l.m. Het volgende zand (S85) is iets fijner en heeft een dso van 170 J.l.m. Zowel het Woerden zand als het S85 zand heeft bijna geen materiaal onder de 100 J.l.m (zie figuur 3). Omdat het beoogde scheidingspunt voor dit onderzoek lager is, is het scheidingspunt voor deze twee soorten zand niet bepaald en is het bed kunstmatig onder de overlooprand gehouden om een scheidingspunt van 90-100 J.l.m te simuleren.

I/I

rl

i

'~~-rr~rH~HH~+-~

i

:~-+~~l

t~++~-+1

~ ~r-r-~##~I/FFHHH-H-1-~

r/

Figuur 3 Korrelgrootteverdelingen vooronderzoek

De volgende twee soorten zand hebben wel een fijne fractie en voor deze materialen is het scheidingspunt bepaald. Hierbij is het mengzand samengesteld uit 50 % S85 zand en 50 % S140.

Dit gemengde zand komt qua samenstelling redelijk overeen met die van de verontreinigde baggerspecie.

Voor het Woerden zand is een maximaal haalbare dichtheid in de kolom bepaald van 1820 kg/m3 op een diepte van 15 cm t.o.v. de overlooprand en bij een opstroomdebiet van 80

Vuur. Na een aantal tussenliggende testen is de opstroomsnelheid niet verder verhoogd dan 650

Vuur, waarbij een dichtheid van 1580 kg/m3 is vastgesteld. De dichtheid op 6 cm diepte ligt voor het gehele meetbereik onder de waarde van 15 cm diep. Kanaalvorming werd

geconstateerd bij een opstroomdebiet tot 300 Vuur. Bij dit debiet heeft ongeveer 10 % van de deeltjes uit de voeding de minimum fluïdisatiesnelheid overschreden.

- - -~ - - - -- - - -

-Technologie ontwikkeling

Bij het 885 zand zijn dezelfde trends herkenbaar als bij het Woerden zand. De dichtheid op 6 cm diep ligt voor alle metingen onder die van 15 cm diep. Een maximale dichtheid is bepaald bij een opstroomdebiet van 150 Vuur en is gelijk aan 1700 kg/m3 Na een aantal tussenliggende testen werd een dichtheid van 1400 kg/m3 op 15 cm diepte vastgesteld bij een opstroomdebiet van 500 Vuur.

Kanaalvorming werd geconstateerd bij een opstroomdebiet van 250 Vuur. Net als bij het

Woerden zand heeft een vergelijkbaar percentage van de deeltjes uit de voeding de minimum fluïdisatiesnelheid bereikt. Er is in verschillende testen, waarin organisch materiaal aan het schone zand is toegevoegd, aangetoond dat bij het optreden van kanaalvorming de organische deeltjes over de gehele kolom verspreid worden, ondanks dat er een voldoende groot verschil in dichtheid is om de organische deeltjes te scheiden.

Bij het 8140 zand is op 15 cm diep een maximale dichtheid van 1450 kg/m3 bij een

opstroomdebiet van 200 Vuur vastgesteld. Het opstroomdebiet is niet verder verhoogd dan 350

Vuur, omdat daar de dichtheid op 15 cm diep nog net 1400 kg/m3 is. Voor het mengzand is de maximale dichtheid op 15 cm diepte 1440 kg/m3 bij een opstroomdebiet van 250 Vuur. Een

minimale dichtheid op een diepte van 15 cm is 1420 kg/m3 bij een opstroomdebiet van 350

Vuur. Voor het 8140 en het mengzand is in dit meetbereik geen kanaalvorming vastgesteld. Uit de experimenten uit het vooronderzoek zijn een aantal trends herkenbaar:

• De dichtheid neemt af met toename van de opstroomsnelheid. • De dichtheid neemt af met toenemende kolomhoogte.

• De dichtheid neemt afbij afuame van de korreldiameter van de voeding.

• Kanaalvorming treed op als voor een bepaald percentage (5-10 %)van de deeltjes de minmum fluïdisatiesnelheid is bereikt.

• De minimale dichtheid van 1400 kg/m3 werd voor de 4 soorten zand vastgesteld. Voor het mengzand en 8 140 zand is het scheidingspunt bepaald. Het scheidingspunt wordt bepaald met de Trompverdelingscurve. Het scheidingspunt voor het 8140 zand en mengzand is ongeveer 90 J..Lm bij een opstroomsnelheid van respectievelijk 250 Vuur en 350 Vuur.

Experimenten verontreinigde baggerspecie

De verontreinigde baggerspecie is afkomstig van een vloeiveld van de Slufter, een opslagdepot op de Maasvlakte. De verontreinigingen in de baggerspecie bestaan uit organisch stof(2 %,) PAK (5 mg/kg), Cu (14 mg/kg), Zn (150 mg/kg), Pb (28 mg/kg). Het materiaal is eerst gezeefd op 1 mm om grote stukken steen, schelpen e.d. te verwijderen. De

korrelgrootteverdeling, na zeven, is 10 % groter dan

500 /lm, 50 % kleiner dan 200 /lm, 25 % kleiner dan 125 /lm en 10 % kleiner dan 63 /lm.

De experimenten met de verontreinigde baggerspecie

~

.,,~~

.

.

_1000 "I1n<:rVS'llSdI ·pO'glNSÓI ~~~ Technologu. omwikkeling

r -

woter Indik cycloon

zijn op basis van de resultaten van het &OORSCHEIOEN I

vooronderzoek uitgevoerd. Om een laag scheidingspunt te kunnen realiseren, moet het materiaal worden voorbewerkt. Het proces staat

Figuur 4 Flowsheet van de met de

opstroomkolom uitgevoerde experimenten

beschreven in figuur 4. Net als in de praktijk wordt eerst het fijne materiaal afgescheiden met een hydrocyc1oon. Vervolgens wordt het materiaal gescheiden in de eerste opstroomkolom.

Dit is nodig om een bovengrens in de voeding voor de tweede opstroomkolom aan te brengen, waardoor in de tweede opstroomkolom het opstroomwater verlaagd kan worden om een zo laag mogelijk scheidingspunt te realiseren. Hiervoor moet de bovenloop van de eerste opstroomkolom nog worden ingedikt.

De hydrocyc1oon, die gebruikt is voor het voorscheiden, heeft een diameter van 10" met een scheidingspunt van 30-40 /lm. De onderloop wordt gebruikt als voeding voor de eerste opstroomkolom. Het voorscheiden werd uitgevoerd met de beschreven opstelling, bij een opstroomdebiet van 1000-1250 l/uur en een dichtheid van 1500 kg/m3 (op 15 cm diep), wat resulteerde in een scheidingspunt van 180 /lm.

Door het voorbewerken lijkt de voeding van de proeven met het verlaagde scheidingspunt qua samenstelling op het S140 zand (figuur 3), maar heeft een veel hoger percentage fijn materiaal (25 % < 63 /lm). Bovendien heeft er een aanrijking van organisch materiaal plaatsgevonden, omdat in de eerste opstroomkolom ook op dichtheid gescheiden wordt.

Er zijn twee proeven met een laag scheidingspunt uitgevoerd. Bij beide proeven werd geprobeerd de onderloop en de dichtheid op 15 cm diep (1420 kg/m3) constant te houden. Bij de eerste proef werd het opstroomdebiet ingesteld op 220 l/uur met een capaciteit van 50 kg/uur droge stof (ds). Het bleek bij deze proef zeer moeilijk om de dichtheid constant te houden door fluctuaties in de voeding. Bij de tweede proef werd het opstroomdebiet verlaagd tot 180 l/uur met een capaciteit van 43 kg/uur ds. Bij de tweede proef werd het debiet van de voeding, net als de onderloop, constant gehouden. Er was echter te weinig materiaal voorhanden, waardoor er geen representatief monster van de onderloop meer genomen kon worden. Als vervanging hiervoor is er een monster zo diep mogelijk uit het bed genomen.

-

---

- -- - - . - - - " -

-T ... _ " , . . . , .

Figuur 5 Trompcurve proef 1

..

é

'"

I

,

t

L.

•• .. • •• • . .. ·1110 . . . '

Figuur 6 Trompcurve proef 2

verloopt voor proef 1 en 2 goed.

Technologie onJwikke/ing

De Trompverdelingscurves van de twee proeven zijn weergegeven in figuur 5 en 6. Uit figuur 5 blijkt dat het scheidingspunt van de eerste proef gelijk is aan 79 Ilm. In figuur 6 geeft de gestippelde lijn het scheidingspunt aan gebaseerd op een monster van de bovenloop en de onderloop. De doorgetrokken lijn geeft het

scheidingspunt weer gebaseerd op een monster van de bovenloop en uit het bed.

Het verloop van de twee lijnen in figuur 6 is ongeveer hetzelfde. Echter het scheidingspunt is met het monster van de onderloop lager (55 Ilm) dan voor het monster uit het bed (65 Ilm).

De scheidin~ van de fijne fractie

Bij proef 2 ligt het verlies van grof materiaal tussen de 70 en 100 Ilm. Voor proef 1 ligt dit tussen de 80 en 110 Ilm. Uit deze resultaten kan geconcludeerd worden dat een rustige procesvoering een vereiste is om een laag scheidingspunt te realiseren.

Bij beide proeven vond er in de bovenloop een sterke aanrijking van organische bestanddelen plaats en was de onderloop vrijwel vrij van organisch materiaal. Hier mag uit geconcludeerd worden dat de scheiding op dichtheid goed verliep. In proef 1 is het organisch gehalte van de onderloop kleiner dan 1 % en werd 99 % van het totaal aan PAK uit de voeding afgescheiden.

Bij proef twee was het organisch gehalte van de onderloop gelijk aan 1 % en werd 89 % van het totaal aan PAK uit de voeding afgescheiden. De analyses en berekeningen van de tweede proef zijn gebaseerd op het monster uit het bed, waardoor de analyses hoger kunnen uitvallen en dit verschil in concentratie kan veroorzaken. Er mag echter verwacht worden dat bij een representatief monster de resultaten van de twee proeven met elkaar vergelijkbaar zijn.

Conclusies

• Het is mogelijk het scheidingspunt bij opstroomclassificatie te verlagen. In dit onderzoek is een scheidingspunt van 63 Ilm vastgesteld, bij een dichtheid van 1420 kg/m3

• Voor realisatie van een laag scheidingspunt moet het opstroomdebiet verlaagd worden. Dit betekent dat de maximale korre1grootte in het fluïdebed beperkt is, omdat het opstroom-debiet voldoende groot moet zijn om de deeltjes te kunnen fluïdiseren.

• Voor realisatie van een laag scheidingspunt, bij voldoende scheiding op dichtheid, moet het proces rustig verlopen. Hiervoor moet het debiet in de voeding constant gehouden worden.

Technologie ontwikkeling

Literatuur

1) W.KuiterslR.MasseelH.vanMuijen, "Ontwikkeling van opstroomscheiding voor de verwerking van verontreinigde baggerspecie", MI 9, intern rapport, MTI Holland, Novernrapport no. 654110/0710, 1997

2) R.Massee, "Verlaging van het scheidingspunt bij opstroomclassificatie", TUDelft, 1998

3) U. Kalck, "Zur Sandabtrennung aus organische Anteile enthaltenden ScWämmen mit

Aufstromklassieren", VDI Reihe 3 NR. 213, VDI-Verlag, 1990

- - - -

-

-Technologie ontwikkeling

HOGER SCHEIDINGSRENDEMENT MET GEPULSEERD BED SCHEIDING VOOR VERONTREINIGDE MATERIALEN

I MTI Holland

2 Biosoil R&D

MK. de KreuK ,J.F. de Kreull en H. van Muijen3

3 MTI Holland en TU Delft

Samenvatting

Een gebruikelijke methode voor de behandeling van vervuilde grond is de scheiding van de fracties op deeltjesgrootte (klasseren) enlof op dichtheid (sorteren). Twee dergelijke methoden zijn de conventionele hydrocycloon en de, in dit gebied, nieuwe techniek; het gepulseerd bed. In het eerste deel van het onderzoek zijn deze methoden vergeleken. Hieruit bleek dat de scheiding van baggerspecie met het gepulseerd bed betere resultaten gaf en dat de

proceskosten met deze methode lager zullen zijn. Tijdens het tweede deel van het onderzoek is experimenteel vastgesteld dat in één processtap, van de totaal 5 geteste materialen (2 typen baggerspecie, 2 typen grond en 1 zeef- en brekerzand), de grove fractie van 4 materialen

herbruikbaar was als categorie 1 bouwstof volgens het bouwstoffen besluit.

Inleiding

Een gepulseerd bed scheiding is een in de mijnbouw veel toegepaste scheidingsmethode, die echter in milieu toepassingen niet veel gebruikt wordt. In deze methode wordt een combinatie van zowel scheiding op dichtheid als korrelgrootte gebruikt. Hierdoor is het mogelijk om deeltjes met geringe dichtheid samen met de fijne fractie afte voeren. Dit heeft met name voordelen t.o.v. hydrocyclonage.

Het doel van dit onderzoek was om met deze methode een hoger reinigingsrendement t.o.v. conventionele technieken zoals hydrocyclonage aan te tonen voor de fractie kleiner dan 2 mm,

voor zowel verontreinigde grond, baggerspecie als zeef- en breker zand. Gezien de procesgang

in een gepulseerd bed scheider moest het verder mogelijk zijn om een bruikbaar product in één processtap te verkrijgen.

Het onderzoek is in twee gedeelten opgesplitst. Fase 1 bestaat uit een economische en technische vergelijking van de gepulseerd bed methode met een conventionele referentie methode (hydrocyclonage). Hierbij is één verontreinigd materiaal getest. In fase 2 is de verder

-~ --- ~

T ecJrnowgiL ontwikkeling

geoptimaliseerde gepulseerd bed scheiding toegepast op 4 andere verschillende verontreinigde materialen, om te bewijzen dat deze methode goed toepasbaar is voor afzettingen

verontreinigd met zware metalen, PAK en minerale olie.

Hydrocyclonage

De inzet van hydrocyclonage bij de verwerking van vervuilde baggerspecie, grond en zeef- en brekerzand is zeer gebruikelijk. De hydrocycloon is een deeltjesscheider die classificatie (scheiding van deeltjes van verschillende grootte) combineert met sortering (scheiding van deeltjes met verschillende dichtheden) en dus op gewicht in plaats van op grootte of dichtheid scheidt. De werking van een hydrocycloon is gebaseerd op het effect van centrifugale krachten in het apparaat. De beweging van de deeltjes wordt beïnvloed door een naar buiten gerichte centrifugale kracht alsmede door een naar binnen gerichte

wrijvingskracht. De zware deeltjes zullen tegen de wand

Bovenloop

Vortex Finder

~Apex Opening

Onderloop

Figuur 1 De verschillende stromen in de hydrocycloon

geslingerd worden waar een lage snelheid heerst en worden vervolgens richting apex getransporteerd. De lichte deeltjes bewegen naar binnen en verlaten de cycloon met het grootste deel van de vloeistof via de vortex finder (Svarovsky, 1984). De beweging van de vloeistof en de deeltjes is weergegeven in figuur 1.

Door de sorterende en klasserende werking van de cycloon zullen deeltjes met dezelfde massa,

maar met verschillende diameters en dichtheden, in dezelfde stroom terecht komen. Dit betekent dat grote vervuilde organische deeltjes in de (niet vervuilde) onderloop (zand fractie)

terecht zullen komen, wat een beperking ten aanzien van de reiniging met zich meebrengt. De werking van de cycloon is afhankelijk van de centrifugale kracht, en daarom van de diameter van de cycloon. De diameters van de vortex en apex openingen zijn ook belangrijk,

omdat deze de verdeling van de voeding over de boven- en onderloop bepalen. Om een lager scheidingspunt te verkrijgen is het gebruik van een kleinere cycloon noodzakelijk; om het proces op te schalen dienen meer cyclonen ingeschakeld te worden.

-

-~~-

-Gepulseerd bed scheiding

Het gepulseerd bed is een mechanisch sorterende

scheidingsinstallatie, die gebruik maakt van een pulserende waterstroom door een uit korrels opgebouwd bed. In de mijnbouw is het gepulseerd bed of de jig een veel gebruikt systeem om uit een bulkmateriaal de gewenste mineralen af te scheiden. De jig wordt tevens wereldwijd in de

steenkoolindustrie gebruikt. Tegenwoordig wordt de jig eveneens ingezet in de secundaire grondstoffenindustrie,

zoals bij de verwerking van autoschroot.

Technologie onJwikkeling ~'L

'-l~ ~

G

I1IBLl

~ I'- Bovenaanzicht

.

~

dl

Zijaanzicht

Figuur 2 Gepulseerd bed, zoals gebruikt bij de uitgevoerde experimenten

De conventionele jig, waarvan een voorbeeld is weergegeven in figuur 2, bestaat uit een vierkante of rechthoekige open tank, gevuld met water, met een rubberen of metalen zeef bovenin en onderin een aflaat (spigot). Hetjig-bed bestaat meestal uit een laag ruwe, zware bolletjes (ragging), die op een zeef rusten en een laag gemengd zand en mineraaldeeltjes (zandbed). Deze laag wordt als slurry aan de jig toegevoerd en deze stroomt over de ragging,

terwijl de scheiding plaatsvindt.

De deeltjes met een hoge dichtheid dringen door de ragging en de zeef en worden als

onderloop afgescheiden, terwijl de kleine deeltjes en de deeltjes met een lage dichtheid door de slurrystroom in de bovenloop worden meegenomen. Deze stroom kan hierna eventueel verder behandeld worden. (Witteveen, 1995)

De harmonische periodieke beweging van de pulserende stroom door het deeltjesbed vormt de basis van de scheiding. Vanuit een gesedimenteerde staat wordt het bed opgetild, waarna het weer bezinkt (fluïdisatie proces). De deeltjes in het zandbed kunnen slechts ten opzichte van elkaar bewegen als de porositeit voldoende is. Door de periodieke beweging worden deze poreuze zones gevormd en verdwijnen weer. Alhoewel jiggen een eeuwenlang bekende en veelvuldig toegepaste scheidingstechnologie is, bestaat er nog steeds geen theoretische interpretatie die dit complexe proces adequaat beschrijft (Schubert, 1994). Ontwikkelingen zijn dan ook minder beredeneerd vanuit een theoretisch oogpunt, maar hebben plaatsgevonden door het aanpassen van de jig in de praktijk.

De vorm van de pulsatie, de zogeheten pulsatiekarakteristiek, is afhankelijk van de toepassing van de jig. In een conventionele jig is dit een harmonische golfbeweging. Deze jigs worden toegepast voor de scheiding van kleine zware deeltjes in lage concentraties uit het

bulkmateriaal (b. v. goudwinning).

I I

:

-I~I~~:::--~

CS ~ Hoofd slag Effectieve scheidlnostiid

: ~ .

:

weedeslag ~ I /Water

---"""-'" ~ ,,---y...-Organische stof ~~I'_-': : ~&f1jnmateri8al

_ Zand

Tijd

Figuur 3 Omgekeerde zaagtand met stappulsatie (Leest en Witteveen, 1991)

Technologie olllWikkew.g

In dit geval zijn de opgaande en neergaande slag gelijk, evenals de stroomsnelheid door het bed bij beide slagen (in tegengestelde richting). Het zandbed is zeer dicht tijdens de neergaande slag, vanwege de grote stroomsnelheden, waardoor geringe scheiding plaatsvindt. Om dit effect te verminderen wordt hutch- of onderwater aan het systeem toegevoegd. Deze opgaande stroom maakt het zand bed minder compact en zorgt daardoor voor een betere scheiding. Wanneer het hutchwater aan een vierkante of rechthoekige jig wordt toegevoegd, zal de stroomsnelheid over het bed naar het einde toenemen. Wanneer een trapeziumvormige jig (zoals in figuur 2» wordt ingezet, blijft de stroomsnelheid in het hele gebied ongeveer gelijk en zal de scheiding homogener verlopen (Nio, 1978).

Een andere oplossing voor de compactheid van het zandbed is de introductie van een mechanisch aangedreven zaagtand pulsatie karakteristiek. Deze pulsatie bestaat uit een snelle opwaartse slag (grote constante stroomsnelheid) en een langzame neerwaartse slag (lage constante stroomsnelheid). De zaagtand wordt toegepast voor het scheiden van een kleine hoeveelheid deeltjes met hogere dichtheid van een grote hoeveelheid restgesteente. In het geval van baggerspecie, vervuilde grond en zeef- en brekerzand, zal de meeste verontreiniging aan de kleinste (klei)fractie en aan de organische fractie gehecht zijn. Het bulkmateriaal (schoon zand) moet zich dus door de ragging naar de onderloop bewegen. Ervaring heeft geleerd dat in de onderzochte milieu-applicatie de omgekeerde zaagtand met stappulsatie, zoals reeds gebruikt wordt in de steenkool industrie (zie figuur 3), het beste functioneert. (Korthuis en de Kreuk (1992) en Biosoil R&D (1995» .

De opwaartse slag van deze karakteristiek is langzaam en kan in verschillende stappen verdeeld worden. Zonder toevoeging van hutchwater is de stroomsnelheid in de opgaande slag lager dan de snelheid in de neergaande slag. De tijdsduur waarin het zandbed is losgemaakt

(gefluïdiseerd) stijgt hierdoor van 40% naar 70%, waardoor de lichte deeltjes meer tijd hebben om naar boven te bewegen en met de bovenloop verwijderd te worden. Naast de pulsatievorm zijn ook de slagfrequentie en de slaglengte van belang. De snelheid van de pulserende vloeistof blijkt afhankelijk te zijn van het product van frequentie en amplitude. Daarom moeten ook deze factoren worden geoptimaliseerd.

~ - - -

-TechnologiE ontwikkeling

Het gepulseerd bed zou ingezet kunnen worden voor de reiniging van

verschillende vervuilde materialen. Een mogelijke proces lay-out is in figuur 4

weergegeven. De benodigde

Voorbehandeling bestaat in dit geval uit

scrubben en het verwijderen van deeltjes die groter zijn dan 4 mmo De deeltjes

kleiner dan 4 mm en het proceswater

worden opgevangen in een tank, waaruit

het gepulseerd bed gevoed kan worden. De efficiency van de scheiding is vrijwel

Feed

Water ~_---Iti~eefbQ('ht recycling

onafhankelijk van de hoeveelheid fijn

materiaal in de voeding, waardoor het

proceswater hergebruikt kan worden

Figuur 4 Plaats van het gepulseerd bed in de scheidingsinstallatie

Zonder dat de scheidingsefficiency drastisch achteruit gaat.

Yoordelen van het gepulseerd bed en vergelijking met een referentiemethode

Het gepulseerd bed is vergeleken met een referentiemethode, waarvoor cyc10nage is

geselecteerd. Theoretisch zijn beide scheidingsmechanismen zeer verschillend. De

hYdrocyc1oon klasseert op massa en daardoor op deeltjesgrootte. Het gepulseerd bed sorteert op dichtheid en grootte, waardoor de grotere, lichtere deeltjes (>50 /lm) eveneens worden

verwijderd. Dit is het eerste voordeel van het gepulseerd bed; de hydrocyc1oon scheidt niet de

grote deeltjes met lage dichtheid van de schone zandfractie. Wanneer een gepulseerd bed

Wordt gebruikt, worden deze deeltjes wel met de vervuilde fijne fractie verwijderd.

Andere voordelen van het gepulseerd bed zijn:

• Het gepulseerd bed bestrijkt een breed toepassingsgebied.

• De werking van het gepulseerd bed is redelijk ongevoelig voor fluctuaties in de voeding,

wanneer het samenstelling en belasting betreft.

• Het systeem lijkt goed regelbaar en makkelijk aan te passen aan de te verwerken afval-stroom.

• Uit voorgaande onderzoeken blijkt dat een hoog scheidingsrendement te behalen is in één stap. Dit is anders dan bij het gebruik van de hydrocyc1oon, die meestal in combinatie met

een opstroomkolom gebruikt moet worden.

• De vervuilde fractie is minimaal (scheidingspunt < 30-40 J..Ul1).

• Het opschalen van het systeem hoeft geen problemen te veroorzaken, omdat op grotere

schaal de randeffecten minder invloedrijk worden.

• In de mijnbouw heeft gepulseerd bed scheiding bewezen dat het systeem geschikt is voor

grootschalige toepassingen.

- -

~---Methoden van de uitgevoerde experimenten

De experimenten zijn uitgevoerd met een speciale

laboratoriumjig (zie figuur 2), in een opstelling als in figuur 5. De hopper werd gebruikt als reservoir (5m3) voor het geteste materiaal, waaruit het materiaal gerecycleerd kon worden. Tijdens fase 1 werden zowel de hydrocycloon als het gepulseerd bed gebruikt, in fase 2 alleen de laatste. De 10" hydrocycloon had een scheidingspunt van 30-40 !lm en werd gevoed met een pomp met een maximaal debiet van 65 m3 luur. De experimenten werden uitgevoerd met 2 verschillende apexdiameters (20 en 37,5 mm). De optimale frequentie en slaglengte voor het gepulseerd bed waren reeds gevonden in eerdere onderzoeken; de stromen (voeding, hutch en onderloop) moesten voor elk materiaal worden geoptimaliseerd. Het gepulseerd bed werd met een dompelpomp gevoed. T echn%gie ontwikkeling Pul.-end bed 4' ~!~ ':r 0/1: F \1.),:::1 '1 -~f"lder' _'op

o = hoverlo0p -'--_ _ _ -LJ...-:?=-l..I.L..

Figuur 5 Opstelling zoals gebruikt bij project 2 (zwart en grijs in fase 1, alleen zwart in fase 2)

De experimenten werden uitgevoerd met 5 verschillende materialen (Tabel 1). Fase 1 en het eerste experiment van fase 2 werden uitgevoerd met materiaal afkomstig uit een vloeiveld van

het Slufter depot op de Maasvlakte. Fase 1 is uitgevoerd met grof materiaal wat vlakbij de vulpijp van het vloeiveld is gevonden, het eerste experiment van fase 2 is uitgevoerd met een fijner equivalent, wat verder in het veld is gevonden.

De overige experimenten in fase 2 zijn uitgevoerd met zeef- en brekerzand, dat is ontstaan uit bouw- en sloopafval; met een grond van een hout impregneerbedrijf, waar de grond vervuild is met creosoot en met een grond afkomstig van een autosloperij, die veel stukjes autoruit, stukjes geshredded metaal, koperdraad, rubber etc. bevatte. Van iedere 400-800 kg ontvangen materiaal werd 200-300 kg gezeefd (nat). De fractie <2 mm of<5 mm, werd in de hopper gebracht en met water verdund tot de gewenste droge stof concentratie voor de voeding bereikt was.

De 14 experimenten van fase I werden uitgevoerd met hetzelfde grove slufter materiaal. Van

deze experimenten zijn 12 experimenten uitgevoerd om de gepulseerd bed scheiding te optimaliseren en 2 experimenten met de hydrocycloon (2 verschillende apexdiameters) om de twee methoden te vergelijken. In fase 2 zijn 11 experimenten uitgevoerd met 4 typen materiaal. De belangrijkste instellingen zijn weergegeven in Tabel 2. Er zijn twee soorten ragging gebruikt, namelijk een ragging van stalen bolletjes (0=8mm, p;:::; 6850 kg/m3) en een ragging van keramische bolletjes (0=10mm, p;:::; 2600 kg/m3), die gebruikt werd wanneer de stalen ragging verstopte.

Tijdens de experimenten werden monsters (20-30 kg) genomen van de verschillende stromen.

Na bezinking werd het overtollige water van deze monsters verwijderd en met het restant werden potjes van ongeveer 1 kg gevuld, terwijl het mengsel mechanisch werd geroerd. Ieder

~

---- ---- - - -- - ~

Technologie onlWikkeling

monster is vervolgens geanalyseerd op zware metalen, PAK's en minerale oliën. Verder is de deeltjesgrootte verdeling, het droge stof gehalte en het organische stof gehalte bepaald van de verschillende stromen.

Tabel 1 Concentraties van de belangrijkste vervuilingen in de uitgangsmaterialen

Korrelgrootte Organische stof (gig ds.) PAK's (mglkg ds.) Cadmium (mglkg ds.) Koper (mglkg ds.) Lood (mglkg ds.) Zink (my/kg ds.) I materiaal gebruikt m fase I

:t materiaal gebruikt in fase 2

--not measured Slufter, Grof' <2mm 2 4.1 2 14 28 150

Slufter, Fijn Zeef- en brekerzand' <2mm <2mm 6.3 2.3 6.9 5.4 0.3 7 200 120

Vergelijking hydrocycloon met het gepulseerd bed

Hydrocyclonage Creosoot houdende grond' <5mm 1.8 1100

-Grond van autosloperij' <2mm 7.1 52 4.7 5600 1600 1000

De cycloon experimenten zijn uitgevoerd met twee apex diameters, namelijk 24 en 37,5 mm, waarmee een scheidingspunt van respectievelijk 35 en 40 Ilm werd verkregen. De beoordeling van de efficiency van de scheiding werd uitgevoerd m.b.V. een zgn. Trompcurve.

De helling van de Trompcurve (imperfectie) van de cycloon met de kleine diameter was laag (0,29), wat op een efficiënte scheiding duidt. De vergroting van de apexdiameter leidde tot een capaciteitsverhoging van 53%. De PAK's concentratie in de onderloop, welke de gereinigde fractie zou moeten zijn, was even groot als de concentratie in de voeding. Er heeft dus geen reiniging plaatsgevonden, alleen een verdeling van de PAK's over boven- en onderloop. Dit is in overeenstemming met de theorie: de grote en daardoor zware PAK's houdende deeltjes komen in de "schone" onderloop terecht en de lichtere deeltjes gaan naar de bovenloop.

Gepulseerd bed

Allereerst werden een aantal experimenten uitgevoerd om de optimale instellingen te bepalen. De criteria voor deze optimale instellingen waren een combinatie van een laag scheidingspunt met een hoge PAK's reductie, terwijl de organische stof concentratie in de boven- en onderloop indicaties waren voor de dichtheidscheiding. Uiteindelijk is de instelling verkregen die weergegeven staat in Tabel 2. Het gebruik van deze instellingen leidde tot een verrijking van PAK's in de bovenloop van 250% en een vermindering van organische stoft.o.v. de voeding in de onderloop van 50%. Het scheidingspunt was laag (25 Ilm) en de imperfectie was hoog (1,8).

T ecltnologie ontwikkeling

,

Tabel 2 Belangrijkste instellingen bij de experimenten

Pulserend bed eXPOrimenten Materiaal ragging Slag freq.

(hz)

Belasting[l/min J Dichtheid [kg/l Belasting

bovenloop onderloop voeding Hutch bovenloop Slufter, grof

Slufter, fijn Zeef-en brekerzand'

Creosoot grond soit

Autosloperij grond' staal staal keramisch keramisch staal 30 30.5 30 30 30

I Vanafdil experiment is de iru;troom van de hutch verbeterd

10.4 33.9 42.8 23.23 44.02 33.5 11.1 10.7 15.21 15.41 16.53 22.18 16.21 14.56 17.74 32.9 32.1 40.7 29.2 40.8

2 Dit experiment is 2 maal uitgevoerd, een met de noanale procedure en een waarbij de onderloop over een zeefbocht is geleid

EKJerunenten met de hydrocycloon (high efficiency configuratie)

IApex Belasting [Vuur] Belasting [ds.luur] Dichtheid [kglm

voeding bovenloop I onderloop voeding bovenloop I onderloop 37.5 87480 540 6876 7416 1.004 1.66 20 75186 504 4331 4835 1.004 1.85 100 ;.; ~ ~ 45 ~ N 100 iIi ::i 100 _ai 90

"----

40 90 80 _35:[ 90 80

t:

70

/

_{:JO.,; ~} 60

:i

~ 70 ~ 70 ~ ₆₀ 25~ ~ :l, 60 ~ 80 50

'"

2Og' _~ 50 ~ 50 ~ 40

~

15 ~ _~ 40 .!' :JO ~ 40 10 ~ _{.!' 30 !'l} 20

~

~ 5 J! 30 10

~

₁

20

B

~![

0 0 10

~

_.ê '0 c: c: ~ ~"2 ~ 8.~.s ~ 0 0

1~

c'" _~~ -g c"l :g..D ~< ct) g. 8. _8[:; ~~ 8[:; "'5 (J U cc Q. ~8. ~~

_~!

s s c::::Jondefloop c::::::::Ibo..enloop _a. U .. a. -a-scheidingspunt a) b) 1041 1014 1007 1027 voeding 1.05 1.04 :ll N ~~ ~~ c) ~ ~ '" ~ ~ .!' onderloop voeding [kg ds.lh] 210 1109 1143 234 1168 1202 245 1154 1176 174 1214 1227 370 70 0 ~ :;i si 60 ~~ ~~ 50

_g

~ 40 30 20 10 0 "C _c"l 8~ eaJ 8[:; ~.c

~!

"[~ ~ U .. d)

Figuur 6 Vergelijking tussen het gepulseerd bed en de hydrocycloon; a) verdeling van droge stof in de voeding tussen boven- en onderloop en de scheidingspunten van de verschillende methoden, b) PAK's verdeling; cl water verdeling; dl

organische stof verdeling

Vergelijking

Wanneer de imperfectie van beide methoden wordt vergeleken, blijkt dat de scheiding op deeltjesgrootte door de hydrocycioon beter is verlopen dan door het gepulseerd bed, maar het

scheidingspunt van de hydrocycioon is hoger. Het verschil in imperfectie kan eenvoudig

verklaard worden door de verschillende krachten die in beide systemen op de deeltjes werken.

Wanneer twee deeltjes weinig in massa verschillen, is de kracht die op een deeltje werkt in de

hydrocycioon groot (n*g) en het deeltje zal overtuigender in een van beide stromen verdwijnen

dan in het gepulseerd bed, waar kleinere krachten op het deeltje zouden werken (1 *g). Daarbij

zullen, zoals eerder gezegd, de grote lichte deeltjes in het gepulseerd bed in de bovenloop terechtkomen, wat een negatieve invloed heeft op de imperfectie, maar een zeer positief effect

op de reiniging.

-='=-- - - ~~

Technowgie olllwikkeling

Tabel 3 Droge en organische stof gehaltes en PAK's concentratie van de verschillende stromen van het gepulseerd bed en de hydrocycloon

Pulserend bed (geo timaliseerd C cloon· Apex 37.5 mm Cycloon·. Apex 24 mm

Droge Organische PAICs Doge Organische PAICs Droge Organische PAK's

stof stof stof stof stof stof

(kg/h) (gig ds.) (mglkgds.) (kg/h) (gig ds.) (mglkgds.) (kg/h) (gig ds.) (mglkg ds.)

Voeding 210 2 9.3 7416 2 4 4835 2 3.2

Onderloop 198 1 5.6 6876 I 4.2 4331 1 3

Bovenloop 19 7 27 540 13 \.9 504 14 3.2

In tegenstelling tot de verwachtingen is de organische stof concentratie in de bovenloop van het gepulseerd bed lager dan die in de bovenloop van de hydrocycloon. Dit kan te maken hebben met de deeltjesgrootteverdeling van de organische stof en de turbulentie in het

gepulseerd bed door de ragging, waardoor de organische stof in de onderloop terecht komt. Dit probleem is opgelost door in fase 2 een gelijkmatige hutch instroom te construeren. De absolute hoeveelheid PAK's uit de voeding dat in de schone onderloop terecht komt is groot. Echter door de hoge droge stof concentratie in deze stroom, is de PAK's concentratie laag, vooral bij de gepulseerd bed scheiding (Tabel 3). Een tweede voordeel van de gepulseerd bed scheiding is heeft te maken met het water (her)gebruik (zie figuur 7).

Hergebruik 21% ~

---

-

-

-

t?-~7~:n'ooP Voedln - - - - '_ .... 21% Effluent 560/.

l

onderlOOP .--,., - - - - ' 23% H~;gébrluk 23% al Bo"enlc~op 95% '-

.

Effluent 95%

De onderloop van de cyclonagestap bevat minder water dan die van het gepulseerd bed. Dit water is in principe schoon en

volledig recirculeerbaar, zodat bij het gepulseerd bed meer recirculatiewater direct beschikbaar is. Hiernaast zal het water dat in de voeding wordt gebruikt in het gepulseerd bed minder invloed uitoefenen op het scheidingsresultaat dan in de cyclonagestap. In deze laatste stap doorloopt de voeding het gehele scheidingsproces, terwijl in het gepulseerd bed het

voedingswater in principe over het gepulseerd bed heen stroomt. Het is dus makkelijker om een gedeelte van het bovenloop water te recirculeren bij het gepulseerd bed. Verder is minder water

b) nodig omdat het gepulseerd bed met een hogere concentratie Figuur 7 Waterbalansen van kan worden gevoed. Dit betekent dat in totaliteit minder water de twee systemen. nodig is, wat met noodzakelijke waterreiniging tot grote

besparingen kan leiden. De percentages in figuur 7 voor

hergebruik zijn arbitrair genomen. Een outlet is altijd nodig om te grote opbouw van fijn materiaal te voorkomen.

Uit de vergelijking van de twee systemen mag de conclusie worden getrokken dat, volgens de

scheidingspunten en de investeringskosten, de twee systemen vergelijkbaar zijn. Wanneer echter de reinigingsefficiency voor PAK's, de proceskosten en het waterverbruik worden

Teclrnologie olllWikkeling

Testen van de vier verschillende materialen

De instellingen van het gepulseerd bed gedurende de meeste van deze experimenten zijn zo

gekozen dat 25% van het volume van de voeding in de onderloop en 75% in de bovenloop

terechtkwam. In deze 25% onderloop bevond zich ongeveer 90% van de droge stof Tijdens de

testen met de creosoot houdende grond verstopte de onderloop en werden daarom deze verhoudingen aangepast. De verdeling van de droge stof over de boven- en onderloop bij de test met het fijne Slufter materiaal was 49/52%, wat verklaard kan worden door de

samenstelling van het materiaal, welke voornamelijk uit klei deelt jes bestaat die in de bovenloop

zullen eindigen.

De andere droge stof verdelingen kwamen ook overeen met de waarden die uit de

deeltjesgrootte verdelingen te verwachten waren (zie figuur 8a). Het organische stof gehalte in

de bovenloop is 3 tot 34 keer hoger dan het organische stof gehalte in de onderloop,

afhankelijk van het gehalte in de voeding. Samenvattend kan gezegd worden dat de bovenloop

een kleine stroom is met een laag droge stof gehalte en een hoog organische stof gehalte; deze

stroom bevat slechts een klein deel van de ingaande deeltjes.

Alle verschillende geteste materialen lieten een aantal interessante eigenschappen van het

gepulseerd bed zien. Zoals eerder is vermeld werd tijdens het testen van het fijne Slufter

materiaal een probleem met de opwaartse hutchwater stroom ontdekt. Door deze

ongelijkmatige stroom, veroorzaakte de turbulentie van het water een deels naar beneden

gerichte stroom door de ragging en de zeef, welke op zijn beurt het transport van fijne deeltjes

(klei en organische stof) naar de onderloop bewerkstelligde. Dit is zeer waarschijnlijk de reden

dat de PAK's concentratie in de onderloop niet lager en die in de bovenloop niet hoger werd.

In de volgende experimenten was de opgaande stroom van de hutch gelijkmatiger door wat

aanpassingen aan de opstelling.

De experimenten met het zeef- en brekerzand brachten een onverwacht voordeel van het

gepulseerd bed aan het licht. Tijdens de analyses van het materiaal is gebleken dat de

bovenloop een hoeveelheid zeer fijn vezelig materiaal bevatte dat uit asbest vezels bleek te

bestaan. Deze waren niet terug te vinden in de onderloop, dus samen met de concentratie van

PAK's en zware metalen in de bovenloop werd tevens de asbestvervuiling verwijderd uit de

schone onderloop.

De scheiding van de grond vervuild met creosoot verliep zeer goed en de organische stof

kwam voor een zeer groot deel in de bovenloop terecht. Verder was de PAK's concentratie in

de onderloop sterk verminderd, maar niet genoeg om een herbruikbaar bouwstof categorie I te

verkrijgen. Dit kan veroorzaakt worden door het karakter van de vervuiling, welke als dun

vloeistotlaagje rond alle deeltjes zit. Het totale oppervlak van de kleine deeltjes is dan wel

groter dan het totale oppervlak van de grove deeltjes, waardoor er wel een daling in de

concentratie zal zijn, maar de PAK's in de laag rond de grove deeltjes zal toch in de onderloop