Reststoffe der Papierindustrie: Ungenutzte Biomasse?

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1 Depotech: November 2014, Leoben Reststoffe der Papierindustrie: Ungenutzte Biomasse? Christina Dornack, Wolfram Dietz, Fokko Schütt Papiertechnische Stiftung Heidenau, München

2 2 Inhalt Einleitung Nutzung von (Recycling)Biomasse in der Papierindustrie Die Papierindustrie und deren Reststoffe Reststoffeigenschaften Verbleib der Reststoffe Zukünftige Verwertungswege eine Auswahl CalciTech SCC-Prozess Biotechnologische und chemische Umwandlungsverfahren am Beispiel von Lävulinsäure Schlussfolgerungen und Ausblick

3 3 Einleitung Zur Charakterisierung der Reststoffe der Papiererzeugung ist es wichtig, den Produktionsprozess, die Einsatzstoffe und die Anfallstellen von Reststoffen zu kennen Mit einer Altpapiereinsatzquote von 74 % (D 2013) nähert sich die Papierindustrie einer Kreislaufwirtschaft an, in der die Produkte nach der Nutzungsphase wieder Faserrohstoffe sind. Um die Produktqualitäten zu erhalten, besteht jedoch die Notwendigkeit, Fasern nach mehrfacher Nutzung aus dem Kreislauf auszusondern. Zudem müssen papierfremde Bestandteile aus dem Altpapier abgetrennt werden. Hierdurch entstehen Reststoffe. In der deutschen Papierindustrie fallen jährlich ungefähr 4,8 Mio. Tonnen an Reststoffen an.

4 4 Einleitung (Forts.) Diese und andere biomassehaltigen Abfälle und bisher unzureichend genutzte Nebenströme versprechen hierbei die stärkste Umwelt- Entlastung. Es gibt einige technische Ansätze für die Nutzung von Abfällen und Reststoffen (vgl. BERBION) zur effizienten stofflichen und energetischen Nutzung regionaler Bioressourcen im städtischen Umfeld. Einen maßgeblichen Ersatz für fossile Rohstoffe stellen biogene Reststoffe in Raffinerie-Prozessen derzeit nicht dar. Reststoffe der Papierindustrie weisen signifikante Biomasse-Anteile auf und entstehen kontinuierlich in großen Mengen an zentralen Orten

5 Anfallststellen von Reststoffen bei der Papierherstellung 5 Sekundäre Rohstoffe Primäre Rohstoffe Sortierrückstände Zöpfe Grobrejekte / Spuckstoffe Feinrejekte / Fangstoffe Deinkingschlämme Faserstofferzeugung Altpapier- Aufbereitung Rinden Sortierrrückstände Abwasserreinigung / Kreislaufreinigung Papierabfälle, Siebe, Filze, Sonstiges Kraftwerk oder Verbrennungsanlage Schlämme Papier Papiererzeugung Papierveredlung Verbrennungsrückstände

6 Reststoffe in der Papierindustrie 6 Fangstoffe / Feinrejekte (chem.-mech. Reinigung) Spuckstoffe / Grobrejekte Bioschlamm Deinkingschlamm

7 7 Mögliche Bestandteile von Reststoffen REJEKT Organische Bestandteile Anorganische Bestandteile Kunststoff/ Andere Bioschlamm Faserstoff Mineralische Pigmente Sand Metalle Lignin Kohlenhydrat CaCO 3 Kaolin LEGENDE: Zellulose Hemizellulose Herkunft aus dem Papier Fremdbestandteile / Verunreinigungen

8 Zusammensetzung von Reststoffen Richtwerte 8 Feinrejekte mit höchsten Faserstoffanteilen Teilweise hohe Spannweiten bei der Zusammensetzung Quelle: Eigene Untersuchungen / Abschätzungen

9 Asche [%] 9 Aschegehalte von Reststoffen Untersuchungsrahmen: jeweils 6-10 Proben Zusammensetzung von Deinkingschlämmen relativ homogen Hohe Schwankungsbreiten speziell in Feinrejekten Verwertungsmöglichkeiten können für Einzelfälle variieren

10 10 Trockengehalte von Reststoffen 100 Trockengehalt [%] Mittelwerte Maximum Minimum 0 Jung, H.; Kappen, J.; Hesse, A.; Götz, B. (2011) Aufkommen und Verbleib der Rückstände aus der deutschen Papier- Zellstoffindustrie; Ergebnisse der Rückstandsumfrage 2010

11 11 Verteilung auf Reststoffarten AVV 10 bzw. 19 AVV Verbrennungsrückstände 10% Schlämme aus der Abwasserreinigung 6% Abfälle anderweitig nicht genannt 1% AVV Rinden- und Holzabfälle 15% AVV Faserabfälle und - schlämme 33% u.a. Feinrejekte AVV Abfälle aus der Auflösung von Papier- und Pappeabfällen 10% AVV Deinkingschlämme 25% Zöpfe, Grobrejekte Jung, H.; Kappen, J.; Hesse, A.; Götz, B. (2011) Aufkommen und Verbleib der Rückstände aus der deutschen Papier- Zellstoffindustrie; Ergebnisse der Rückstandsumfrage 2010

12 Nutzungspfade für Papierfabrik-Rejekte 12 Energetisch / Mineralnutzung Verbrennen Asche Energie Zementersatz Werkstofflich Trocknen Zerkleinern Composite/NFK Faserplatten Flocken andere Papiersorten Absorber Biotechnologisch Hydrolyse enzymatisch Hydrolyse sauer Monosaccharide Sekundär- Raffination Ethanol, HMF Lävulinsäure Co-Vergärung Biogas Energie Thermo-chemisch Hydrothermale Carbonisierung Torrefizierung Pyrolyse C C 180 C Brennstoff Syngas Energie Metalle, Mineralien

13 13 Verwertungswege Zeitliche Entwicklung 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% Andere Stoffliche Verwertung Energetische Verwertung Deponie 30% 20% 10% 0% Jung et al. 2011

14 14 Verwertungswege Verteilung Jung et al. 2011

15 15 Verwertungswege - Energetische Verwertung Gründe für Anstieg der energetischen Verwertung: Nach Umsetzung der TA Siedlungsabfall Wegfall der Möglichkeit, unbehandelte Rückstände zu deponieren Steigende Kosten für Strom und Brennstoffe Eignung für die energetische Verwertung: Grobrejekte mit vergleichsweise hohen Heizwerten (aber auch höchste Chlorfracht) Mit niedrigerem Heizwert: Feinrejekte, Deinking-Schlämme (Hoher Aschegehalt); Bio- Schlämme (niedriger Trockengehalt) Heizwerte einzelner Reststoffe (exemplarisch): Spuckstoff Fangstoff DI-Schlamm Bioschlamm Heizwert (MJ/kg) 13,5 4,2 3,8 0,4 Asche (%) ,5 Wasser (%) Sommer, J.; Trumpf, R. Haas, A.; Reststoffverwertung in der Papierindustrie am Beispiel des Heizkraftwerkes Wörth der Papierfabrik Palm Konzept, Realisierung, Inbetriebnahme und erste Betriebserfahrungen; Berliner Abfallwirtschafts- und Energiekonferenz;

16 Verwertungswege Stoffliche Verwertung von Faser- und Deinkingschlämmen 16 Ziegelindustrie: Faserhaltige Materialien erhöhen die Trockenbruchfestigkeit ungebrannter Ziegel Kaolin und Calciumcarbonat sind wünschenswerte Hilfsstoffe zur Verbesserung der rheologischen Eigenschaften und Reduzierung von Emissionen Organische Faserstoffe dienen als Ersatz für Sägemehl und Polystyrol zur Unterstützung der Porenbildung Zementindustrie: Die organischen Stoffe mindern den Primärenergiebedarf im Drehrohrofen Die anorganischen Stoffe entsprechen weitgehend der Zusammensetzung der Zementrohstoffe Komponente Deinkingrückstände CaO % Al 2 O % SiO % Fe 2 O % Quelle: Hanecker, E.: Treatment and utilisation of deinking sludges. Advanced training course on Deinking and Recycling, May28-30, 2013

17 17 Zukünftige Verwertungswege von Feinrejekten (Auswahl) Feinrejekt Anorganik (Füllstoffe) Organik (Faserstoff) Stofflich / Energetisch Energetisch Stofflich Zement- und Ziegelindustrie Verbrennungsanlage (intern/extern) Deponie Glucose Biobasierte Chemikalien

18 Zukünftige Verwertungswege von Feinrejekten (Auswahl) Geschätztes Aufkommen an Feinrejekten in Ostdeutschland 18 Aufkommen 2008; TG % Papierfabrik mit: mehr als 10 tsd t/a 1 bis 10 tsd t/a weniger als 1 tsd t/a 43,5 5 Gesamtaufkommen Feinrejekt bei Herstellern 20,9 37,2 3 von Verpackunspapieren: 2 13 > Tonnen (TG %) 18,9 6 9, ,3 Hochrechnung: Feinrejekt = 3% der Papierproduktion 2,6 8 25, ,7

19 Zukünftige Verwertungswege von Feinrejekten (Auswahl) Zusammensetzung von Feinrejekten Glührückstand Faserstoff Kunststoff (Dunkel: CaCO 3 ) (Dunkel: Lignin) Hoher Aschegehalt Hauptsächlich CaCO 3 hoher Faserstoffgehalt (~ 50 %)

20 Zukünftige Verwertungswege Beispiel 1 Biobasierte Chemikalien Beispiel Lävulinsäure 20 Zwei reaktive funktionelle Gruppen Grundchemikalie mit vielen Derivatisierungsmöglichkeiten Eine der 12 ökonomisch attraktivsten zuckerbasierten Plattformchemikalien Produktionsprozess nach derzeitigem Stand der Technik sehr ineffizient Geschätzter Marktpreis 2500 /t Hochpreisige Chemikalie mit kleinem Marktvolumen Einstufiger Prozess Vollständig auf Säure basierende Umsetzung: Cellulose Glucose HMF Lävulinsäure Ameisensäure

21 21 Zukünftige Verwertungswege Beispiel 1 (Forts.) Lävulinsäure-Referenzprozess Feinrejekt Säurehydrolyse / Umwandlung -HCL (20 % wt) -Flottenvehältnis 10:1-108 C (Normaldruck) -6 8 h Ameisensäure Säure- Rückgewinnung Filtration Lignin, Nebenprodukte (Huminstoffe) Volumenreduktion/ Extraktions-/ Destillationsschritte Lävulinsäure

22 Zukünftige Verwertungswege Beispiel 1 (Forts.) Lävulinsäure aus Feinrejekten Lävulinsäure [% bezogen auf die theoretisch mögliche Aubeute] p in bar T in C t in h Zugabe 20%ig HCl 1,0 12,5 15,5 19,0 15,5 15,5 10,0 10, :1 9:1 9:1 9:1 17:1 17:1 7:1 7:1 Referenzverfahren -> Erhöhung Druck, Temperatur, Säurekonzentration saure Vorwäsche des Rohstoffes CaCO 3 setzt Wirkung der Säure herunter Aggressive Bedingungen (Temperatur, Säureeinsatz) für gute Ausbeuten notwendig Saure Vorwäsche ermöglicht mildere Bedingungen

23 Produktionskosten Lävulinsäure [ /t] Produktionskosten Lävulinsäure [ /t] Zukünftige Verwertungswege Beispiel 1 (Forts.) Produktionskosten Lävulinsäure Anlagengröße Rohstoffkosten /t /t Rohstoffkosten 0 /t Rohstoffkosten 50 /t Umsetzung: Dezentral Zentral Geschätzter Marktpreis LS 2010: 2500 /t (Patel et al. 2010) Rohstoff-Input otro [kt/a] Reststoffaufkommen der größeren Papierfabriken Gesamtaufkommen Feinrejekt in Ostdeutschland Zuschlag Transportkosten Patel, A.D. et al. Techno-economic analysis of 5-nonanone production from levulinic acid. Chemical Engineering Journal 160 (2010)

24 Zukünftige Verwertungswege Beispiel 2 Nutzung der anorganischen Bestandteile von Feinrejekten: Der CalciTech SCC Prozess Kalkhaltige Sekundärrohstoffe Auflösung von CaO / Ca(OH) 2 mit Promotor Gelöstes Calcium Abtrennung unlöslicher Bestandteile CO 2 Reaktion mit CO 2 zu SCC Rückführung von Promotor und Wasser Filterpresse & Wäsche SCC Trockenprodukt Trocknung auf 99.8% TG SCC-Slurry 72% TG

25 25 Zusammenfassung und Ausblick Gesamtmenge an Rückständen in der Papierindustrie bei 4,6 Mio. t/a (2010) Die Deponierung organischer Stoffe ist in Deutschland seit 1. Juni 2005 untersagt Wichtigste Entsorgungs- und Verwertungswege: energetische Verwertung stoffliche Verwertung in der Ziegel- und Zementindustrie Die Rückstände der Papiererzeugung beinhalten ein großes Verwertungspotential: Zum Teil hoher organischer Anteil der Reststoffe Verfügbarkeit großer Mengen an bestimmten Anfallorten (Hot Spots) externe Verwertung meist unter Zuzahlung Kostenfaktor Zusammensetzung der Rückstände weist hohe Schwankungsbreiten auf Verwertungsansätze müssen im Einzelfall überprüft werden Forschungsbedarf zur Prüfung neuer Ansätze, um stoffliche Potentiale der Rückstände zu nutzen