Hydrothermale Carbonisierung (HTC) als Möglichkeit zur Klärschlammnutzung und Phosphorrückgewinnung. Marco Klemm; DBFZ

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1 Hydrothermale Carbonisierung (HTC) als Möglichkeit zur Klärschlammnutzung und Phosphorrückgewinnung Marco Klemm; DBFZ

2 Ausgangssituation Wichtige Stoffströme, vor allem biogene Reststoffe, bedingen bei den etablierten Wegen der thermischen Umwandlung (Verbrennung, Vergasung, Pyrolyse) einen problematisch hohen Trocknungsaufwand: Klärschlamm, biogene Siedlungsabfälle (Biotonne), Grünabfall (Gras/Laub), gartenbauliche und landwirtschaftliche Reststoffe, Reste aus der Lebensmittelindustrie, Reststoffe der Bioökonomie. Sind derartige Ausgangsstoffe dazu auch nicht zufriedenstellend vergärbar, besteht Bedarf an einer Verfahrensalternative. 2

3 Hydrothermale Prozesse (HTP) als Verfahrensalternative Durchführung in heißem Wasser, Nutzung von wasserreicher Biomasse ohne Trocknung, Prozesse zur Umsetzung organischer Stoffe mit breiter Anwendung, Wasser ermöglicht spezielle Reaktionen, Wasser ist Reaktionspartner, Katalysator, Lösemittel, Transportmedium, Wärmeträger, Abschluss gegen die Umgebung, breites Spektrum an Ausgangsstoffen, feste, flüssige oder gasförmige Produkte je nach Parametern, vielfältige Produktanwendungen. 3

4 Hydrothermale Carbonisierung (HTC) HTC Foto: DBFZ Biogene Abfallstoffe aus Kommunen Industrie Landwirtschaft Klärschlamm Thermochemischer Konversionsprozess in heißem Hochdruckwasser: ºC bar mehrere Stunden Foto: DBFZ Hauptprodukt: fest, HTC-Karbonisat Nebenprodukte: flüssig; gasförmig 4

5 HTC - Gesamtprozesskette 5

6 HTC - Experimentelle Ergebnisse Elementarzusammensetzung (waf) in Ma% O S N H C 200 C, 4h LPM = Landschaftspflegematerial [1] Kaltschmitt, M. et al.: Energie aus Biomasse (2009) 6

7 HTC Experimentelle Ergebnisse Elementarzusammensetzung (waf) in Ma% Holz (Fichte) [1] Bioabfall HTC.180 C.2 h HTC.220 C.6 h Braunkohle [1] O S N H C [1] Kaltschmitt, M. et al.: Energie aus Biomasse (2009) 7

8 Gegenüberstellung Brennstoffeigenschaften Asche Ma-% wf Flüchtige Ma-% wf S Ma-% wf P Ma-% wf Hu MJ/kg HTC (Grünschnitt) ,13 0,17 16,7 HTC (Klärschlamm) ,9 4,69 12,6 Mitteltemperaturpyrolyse, (Stroh) Einblaskohlen (Metallurgie) Anthrazit (Lichtbogen) Braunkohlenstaub (Zementindustrie) 17 < < 10 < 38 < 1 < 0,02 > 30 < 10 < 10 < 1 < 0, ,35 0, Quicker, P.; Schulten, M.: Biokohle: Erzeugung und technische Einsatzmöglichkeiten. (2012) Quicker, P.: Thermochemische Verfahren zur Erzeugung von Biokohle. (2013) 8

9 Gegenüberstellung Brennstoffeigenschaften Asche Ma-% wf S Ma-% wf N Ma-% wf Cl Ma-% wf Hu MJ/kg HTC (Grünschnitt) 27 0,13 1,1 0,04 16,7 HTC (Bioabfall) 17 0,2 1,8 0,08 19,4 HTC (Gärrest, Garage, Bioabfall) DIN EN (Feste biogene Brennstoffe) Braunkohlebriketts (Verkaufsspezifikation) 22 0,3 1,6 0,18 18,1 10 0,2 2 0,3 13,2 4,2 0,3 0,74 0,027 24,9 DIN EN : Schön, C.; Hartmann, H.: Charakterisierung von Holzbriketts (2011) 9

10 Brennstoffeigenschaften Messwerte DBFZ Holz (Fichte) Bioabfall HTC 180 C 2 h HTC 220 C 6 h Braunkohle Pyrolysekoks (Bsp.) Van-Krevelen-Diagramm auf Basis von Belusa, T. et. al: Hydrothermale Karbonisierung und energetische Nutzung von Biomasse. In: Gülzower Fachgespräche: Hydrothermale Carbonisierung (2010) 10

11 Energiebilanz Klärschlammtrocknung 11

12 Energiebilanz Klärschlamm HTC Senkung des Verbrauchs thermischer Energie um ca. 80%! 12

13 Anwendungsmöglichkeiten HTC-Kohle Energetische Nutzung, Monoverbrennung, Mitverbrennung, Vergasung, Nutzung als Bodenhilfsstoff (bei entsprechenden Edukten), Kohlenstoffträger für industrielle Anwendungen, Metallurgie, Prozesskohlenstoff, Aktivkohle,. 13

14 Vorteile HTC Gut mechanisch entwässerbares Produkt (bis > 70 % TS, Klärschlamm 20 bis 30 % TS), deutliche Verbesserung der Energieeffizienz durch geringeren Trocknungswärmebedarf, nur ein Hauptprodukt, überschaubarer technischer Aufwand, vereinheitlichtes, lagerstabiles, hygenisiertes Produkt, verbesserte Verbrennungs- und Vergasungseigenschaften, damit Kohleanwendung auch außerhalb der Großkraftwerke, perspektivisch Phosphorrückgewinnung und Schadstoffentfrachtung, kleine Anlagen wirtschaftlich realisierbar (ab t/a Kohle aus Klärschlamm). 14

15 Phosphorrückgewinnung Ausgangssituation Klärschlamm 37,1 g P /kg Hydrothermale Carbonisierung 200 C, 16bar, 4h Varianten der Phosphorrückgewinnung bei der HTC: Nutzung phosphorreicher Kohle, Extraktion mit Säuren aus der Kohle nach der HTC (verschiedene Hersteller), Extraktion während der HTC, ohne Mineralsäuren (DBFZ, in Entwicklung), weitere Ansätze der Extraktion denkbar, HTC Kohle 49,4 g P /kg HTC Wasser 0,11 g P /l 15

16 HTC Prozesswasser Wird häufig als Problem der HTC diskutiert Prozesswasser enthält gelöste Organik als Nebenprodukt des HTC- Prozesses, effiziente Nutzbarkeit im Biogasprozess ist nachgewiesen [Wirth 2016 u.a.,] Untersuchungen zur Übertragbarkeit dieser Erkenntnisse auf Klärschlammfaulung laufen, Feinreinigung ist in der Biologie kommunaler Kläranlagen möglich, kann in Zukunft Quelle für organische Chemikalien sein (Furanderivate, Carbonsäuren, ). 16

17 Mögliche Rolle der HTC in der Klärschlammnutzung Energieoptimierte Trocknung, Phosphorrecycling, Stickstoffrecycling, Schadstoffentfrachtung z.b. Schwermetalle, Mineralikabscheidung, Kohleproduktion für verschiedene Anwendungen, perspektivisch weitere Produkte wie Chemikalien, dezentrale Lösung für mittlere Kläranlagen (Größenklasse 4). 17

18 Hydrothermale Prozesse Gestalten Sie mit! Innovation durch Kooperation. Ansprechpartner Dr.-Ing. Marco Klemm Tel.: +49 (0) DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH Torgauer Straße 116 D Leipzig Tel.: +49 (0)