VERFAHREN DER THERMISCHEN KLÄRSCHLAMMVERWERTUNG (VERBRENNUNG, VERGASUNG, PYROLYSE, HTC)

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1 VERFAHREN DER THERMISCHEN KLÄRSCHLAMMVERWERTUNG (VERBRENNUNG, VERGASUNG, PYROLYSE, HTC) Dipl.-Ing. Jörn Franck Geschäftsführer Dr. Born - Dr. Ermel GmbH - Ingenieure - Dipl.-Ing. (TU) Ralf Wittstock Projektleiter Dr. Born - Dr. Ermel GmbH - Ingenieure -

2 Gliederung 1. Einleitung 2. Ausgangslage 3. Optionen der Verwertung 4. Verwertungsverfahren 5. Ausblick 6. Zusammenfassung

3 1. Einleitung Top News

4 1. Einleitung Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

5 1. Einleitung Verschärfung der Grenzwerte nach AbfKlärV und DüMV Bei Überschreitung der Grenzwerte keine landwirtschaftliche Ausbringung oder Nutzung im Landschaftsbau/Rekultivierung möglich Einzige Möglichkeit dann, Thermische Entsorgung: - Kohlekraft- und Zementwerke, Müll- oder Mono-Verbrennungsanlagen Problematik der Mitverbrennung: - Kontingentbeschränkungen aufgrund rechtlicher und betrieblicher Vorgaben - Nicht immer wirtschaftliche Form der Entsorgung Monoverbrennungsanlagen: - Wirtschaftlich unabhängig, entsorgungssicher - Alleiniger Weg der Phosphorrückgewinnung - Schadstoffentzug aus Klärschlamm - Bestmögliche Nutzung des enthaltenen Energiepotentials

6 2. Ausgangslage Schlammanfall und -behandlung [nach UBA 2012] Klärschlamm, ein Gemisch aus Feststoffen (Primärschlamm) und Bakterienmasse (Sekundärschlamm) Spez. Schlammanfall pro Tag: 1,50 2,00 l/(e*d) oder ca. 80 g TS /(E*d) mit etwa 2 3 % TS Jährlich anfallende Menge an kommunalem Abwasser: ~ 10 Mio. m³/a oder ca. 2 Mio. t TS /a

7 2. Ausgangslage Schlammanfall und -behandlung Klärschlammentsorgung in den Jahren 1991 bis XX Zunehmende Verbrennungsmenge? Zukünftige Nutzung? [UBA 2012]

8 2. Ausgangslage Schlammanfall und -behandlung Entwicklung der Klärschlamm-Mono- und -Mitverbrennung in Deutschland Quelle: Wiechmann, B.: Klärschlammbehandlung in Mono- und Mitverbrennungsanlagen Stand und Perspektiven, UBA, 9/2013

9 2. Ausgangslage Schlammbeschaffenheit und Energiepotential Wesentliche Roh- und Faulschlammparameter [Thomé-Kozmiensky 1998] Glühverlust Aschegehalt Wassergehalt Heizwert % GV % TS % Wasser MJ/kg TS Rohschlamm Faulschlamm Energiepotential Klärschlamm: 17 MJ/kg TS (Rohschlamm, rd. 70 % GV) Abwasserbehandlungsanlage: Mio. EW, also t TS /a Jährliches Energiepotential: GJ/a, oder GWh/a

10 2. Ausgangslage Phosphoranteil Aktuell übliche angenommener Anteil im Klärschlamm: 1,80 g Phosphor /(E*d) Jährliches Potential: Abwasserbehandlungsanlage Mio. EW Mg Phosphor /a Potential zur Rückgewinnung aus der Asche: Je nach Verfahren, %

11 3. Optionen der Verwertung Mit- bzw. Monoverbrennung durch verschiedene Feuerungstechniken Konstruktionsbedingte spezifische Vor- und Nachteile - HTC Alternative Verfahren: - Wenig realisierte Anlagen mit Regelbetrieb vorhanden - Kaum belastbare Aussagen möglich hinsichtlich Betrieb und Wirtschaftlichkeit

12 3. Optionen der Verwertung Übersicht Thermische Mono-Klärschlammverwertungsverfahren

13 3. Optionen der Verwertung Charakterisierung der Verfahren Lambda λ, Verbrennungsluftverhältnis/Sauerstoffbedarf

14 4. Verwertungsverfahren Wirbelschichtfeuerung, stationär Für Klärschlammverbrennung am weitesten in Deutschland verbreitet Klärschlammheizwert von kj/kg Originalsubstanz (ca % TS) autotherme Verbrennung (ohne Zusatzbrennstoff) Temperaturen etwa C. Lambda λ > 1 Stationäre Wirbelschichten in Deutschland 21 Anlagen Quelle: Fa. Eisenmann

15 4. Verwertungsverfahren Vergasung Umwandlungsprozess von festen, kohlenstoffhaltigen Verbindungen in eine Gasphase (Synthesegas; Hauptbestandteile CO, H2, CxHy) Klärschlamm, TS-Gehalt mind. 90 % Vergasung erfolgt bei begrenzter Luft- bzw. Sauerstoffmenge Synthesegasnutzung bspw. in BHKW Referenzlage Vergasungsanlagen in Deutschland: - Eine großtechnische Referenz in Mannheim. - Weitere Referenz in Koblenz Quelle: Fa. Kopf SynGas

16 4. Verwertungsverfahren Pyrolyse Pyrolyse, Form der Vergasung Im Gegensatz zur Vergasung/Verbrennung, ausschließlich unter der Einwirkung zugeführter Wärme und ohne zusätzlichen Sauerstoff (λ = 0) Temperaturen von 400 bis 900 C Synthesegasnutzung in Brennkammer (FLOX-Brenner) Klärschlamm-Einsatz erfordert Trocknung auf > 50 % TR Referenzlage in Deutschland, derzeit wenige Anlagen mit geringer Durchsatzleistung 2015, Referenz Kläranlage Linz-Unkel Quelle: Fa. PYREG AG

17 4. Verwertungsverfahren HTC Hydrothermale Carbonisierung (HTC), Umwandlungsprozess von feuchter Biomasse zu kohleähnlichen Produkten Temperaturen C, Drücke bar Kohleschlamm nach Behandlung auf 75 % TS entwässerbar Ähnlich hohe Heizwerte wie Braunkohle. Auch erdölähnliche Produkte, Humus oder Steinkohle erzeugbar Prozesswasser besitzt hohe organische Belastung ( bis mg/l CSB) und Schwermetalle Verschiedene Anbieter mit Pilot-Anlagen bspw. in Karlsruhe oder Kaiserslautern Quelle: Fa. AVA CO2

18 4. Verwertungsverfahren Mögliche Bewertungskriterien Übersicht möglicher Bewertungskriterien zur Verfahrensauswahl A) Technologie Energiebilanz, elektrisch (Abgabe / Aufnahme) Energiebilanz, thermisch (Abgabe / Aufnahme) Anforderung an den Brennstoff Laufzeit / Verfügbarkeit p. a. Zusatzbrennstoffbedarf Anlagenanbindung/Schnittstellen Verfahrenstechnische Komplexität Abgasreinigung / - aufbereitung Emissionen Reststoffe und Phosphor-Recycling Anlagensicherheit / Redundanzen Flächenbedarf Referenzlage B) Genehmigungsaspekte Genehmigungsverfahren Wasserrechtliche Aspekte Sicherheitstechnische Aspekte Anforderungen Genehmigungsverfahren C) Ökonomische Kriterien Investitionskosten Betriebskosten Behandlungskosten

19 5. Ausblick Plasmavergasung Bisher nicht für Klärschlammentsorgung ausgelegt, keine große Relevanz. Trotzdem ein innovatives Verfahren, für herkömmliche Abfälle Kupolofen, ähnlich wie Metallschmelze Temperaturen von etwa C durch Plasmabrenner Kerntemperatur C Zugabe von Koks, Reifenteilen, technischer O2 Abfall-Heizwert nicht ausreichend Nutzung Synthesegas bspw. in Fischer-Tropsch-Synthese Anorganische Bestandteile als Schlacke Bioethanol-Herstellung, Stromgewinnung Referenz, Pilotanlage für Abfall in Morceux/Frankreich Quelle: Waste Technology Reports

20 6. Zusammenfassung Thermische Verwertung zukünftig stärker gefordert durch rechtliche Änderungen (AbfKlärV, DüMV) Unabhängige, kostengünstige und langfristig sichere Entsorgung durch Anschaffung einer eigenen thermischen Verwertungsanlage Darstellung unterschiedlicher Verfahrensansätze Möglichkeiten zur Behandlung von entwässertem bis getrocknetem Klärschlamm, vor dem Hintergrund des gewünschten Ausgangssproduktes (Asche/kohleähnliches Produkt) Empfehlung zum Zusammenschluss mehrerer Anlagenbetreiber, zur Sicherstellung einer wirtschaftlichen Basis

21 6. Zusammenfassung - Impressionen Klein(st)e kommunale Anlage Bergen/Rügen Entwässerter und getrockneter Klärschlamm 1 x MgTR/a Weltgrößte Anlage Hong Kong Entwässerter Klärschlamm 4 x MgTR/a

22 VERFAHREN DER THERMISCHEN KLÄRSCHLAMMVERWERTUNG (VERBRENNUNG, VERGASUNG, PYROLYSE, HTC) Dipl.-Ing. Jörn Franck Geschäftsführer Dr. Born - Dr. Ermel GmbH - Ingenieure - Dipl.-Ing. (TU) Ralf Wittstock Projektleiter Dr. Born - Dr. Ermel GmbH - Ingenieure -