Vergleich zentraler und dezentraler Ansätze zur thermischen Klärschlammverwertung

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1 Vergleich zentraler und dezentraler Ansätze zur thermischen Klärschlammverwertung STEAG Energy Services GmbH Dr.-Ing. Michael Nolte / Christian Hensel in Berlin

2 Inhalt 1. Infos STEAG Energy Services GmbH 2. Einleitung thermische Verwertung von Klärschlamm 3. Zentrale Ansätze 4. Dezentrale Ansätze 5. Zusammenfassung und Ausblick 2

3 1. Infos STEAG Energy Services GmbH

4 WIR sind STEAG Energy Services Ingenieurdienstleister der STEAG Umsatz 167 Mio. (konsolidiert) Mitarbeiter (konsolidiert) Zahlen 2015 STEAG Energy Services Energy Technologies Plant Services Nuclear Technologies System Technologies Information Technologies Planung, Bauüberwachung und Inbetriebnahme von energietechnischen Anlagen Betriebsführung von Kraftwerken, Katalysatormanagement und regeneration, Personaldienstleistungen Stilllegung und Beseitigung von kerntechnischen Anlagen, Sicherheit, Strahlenschutz und Realisierung von Endlagern Energiemanagementsysteme, IT-Lösungen zur Überwachung, Optimierung und fortschrittlichen Kontrolle von Betriebsabläufen Betriebsmanagementsysteme, Nachrichtentechnik, Site-IT 4

5 Energy Technologies Wer sind wir? Kompetenzzentrum für Technologie und Engineering der STEAG: - Planer mit Betriebserfahrung und unternehmerischem Denken für Kraftwerkstechnik - Technischer Kraftwerksservice - Durchführung von F+E-Projekten der STEAG Dienstleister für Dritte seit mehr als 40 Jahren Fachabteilungen: Kraftwerkstechnik, Bautechnik, Verfahrenstechnik, Elektrotechnik, Leittechnik mit APC*, Qualitätssicherung, Projektmanagement ca. 120 Mitarbeiter ca. 25 Mio. Umsatz Auslandsaufträge: 30 50% * Advanced Process Control 5

6 Energy Technologies Dienstleistungen Engineering Owner s Consultant Power Business Consulting 6

7 Energy Technologies Dienstleistungen: Engineering Studien und Konzeptplanung Vor- und Entwurfsplanung Beschaffung - Ausschreibungen, - Angebotsvergleich, - Vergabeempfehlung/ -verhandlungen. Detail- und Ausführungsplanung Baustellenleistungen - Baustellenorganisation, - Überwachung / Leitung von Bau und Inbetriebsetzung, - Abnahmeversuche. Projektmanagement 7

8 2. Einleitung thermische Verwertung von Klärschlamm

9 Verwertungs- und Entsorgungsmöglichkeiten von Klärschlamm 9

10 Anteil, normiert [%] Zeitliche Entwicklung der Verwertungsund Entsorgungswege von Klärschlamm Jahr 10

11 Grundlagen zur Konzeptentwicklung Klärschlamm Menge, Qualität, zukünftige Entwicklung Verfügbarkeit / Entsorgungssicherheit Standort Flächenverfügbarkeit Umgebungssituation Planungs- und Genehmigungsrecht Infrastruktur, Anbindung Synergien mit anderen Anlagen Energie Energiebedarf vs. Energieabgabe (Strom / Wärme) Wirtschaftlichkeit Ist-Kosten vs. Zukunfts-Kosten Kooperationsmodelle Mengenpool Zusammenarbeit 11

12 3. Zentrale Ansätze

13 Zentrale thermische Verwertungsmöglichkeiten von Klärschlamm Wirbelschichtfeuerung ca. 75 % Staub-/Wirbelschichtfeuerung ca. 76 % Drehrohrofen ca. 16 % Rostfeuerung ca. 6 % ca. 2 % sonstige 13

14 Verfahrensfließbild einer Klärschlammverbrennungsanlage mit Trocknung 14

15 Heizwert [MJ/kg] Auslegung einer Klärschlammverbrennung mit integrierter Klärschlammtrocknung % Aschegehalt 50% Aschegehalt 45% Aschegehalt 40% Aschegehalt In der Leimphase (45-65 % TS- Gehalt) weist Klärschlamm klebrigviskose Eigenschaften auf. Beschickung und Feuerung in der Leimphase ist aber technisch lösbar und in der Praxis erprobt! Grenztemperaturen für selbstgängige Verbrennung (bei Luftvorwärmung): ϑ Luft = 20 C ϑ Luft = 200 C Entwässerung Trocknung Leimphase Klärschlamm, Klärschlamm, Trockensubstanzgehalt [%] entwässert getrocknet Auslegungsdaten: Entwässert 25 % TS Getrocknet 45 % TS 15

16 Übersicht der betrachteten Konzeptvarianten zur Monoverbrennung Konzept A: Klärschlammtrocknung Konzept B: EBS-Konditionierung B 1 : niederkalorischer EBS B 2 : hochkalorischer EBS Konzept A Konzept B 1 Konzept B 2 Parameter Einheit Trocknung Konditionierung Konditionierung 45 % TS EBS 1 EBS 2 Mindest-TS-Gehalt [%] 21,4 - - Hu, Mischung [MJ/kg] 4,40 4,40 4,40 Hu, EBS [MJ/kg] - 13,40 29,00 16

17 Thermische Leistung [MWth] Anlagengrößenvergleich der betrachteten Konzeptvarianten zur Monoverbrennung 60 Konzept A Konzept B1 Konzept B Durchsatz Klärschlamm [t/a TS] Quelle: Bachelorarbeit Th. Bier 17

18 spezifische Kosten [ /t KS TS] Kostenvergleich der betrachteten Konzeptvarianten zur Monoverbrennung 700 Konzept A Konzept B1 Konzept B Durchsatz Klärschlamm [t/a TS] Quelle: Bachelorarbeit Th. Bier 18

19 Verfahrensfließbild der Klärschlamm- Mitverbrennung am Kraftwerk Berrenrath 19

20 Kennzahlen zur Bewertung der Mitverbrennung im Kohlekraftwerk Verschmutzungsfaktor nach Atting und Duzy Fe2O3 CaO MgO K 2O Na 2O [Mol. -%] RF RB/A Na 2O Na 2O SiO Al O TiO [Mol. -%] R S S R Verschlackungsfaktor R B / A Fe S O Siliziumverhältnis SiO CaO MgO K 2O Na SiO Al O TiO Schwefel-/Chlor-Verhältnis S Schwefelge halt im Brennstoff Cl Chlorgehalt im Brennstoff 2 SiO 2 [Mol. - %] 100 Fe O CaO MgO [Mol. - %] [Mol. - %] [Mol. - %] O [Mol. S [Mol. - %] - %] 82,00 80,00 78,00 76,00 74,00 72,00 70,00 68,00 66,00 64,00 62,00 60,00 1,5% 10% 15% 20% 25% SiO2-Verhältnis K CK Chlor-Korrosionskennzahl 2(NaCl SO (g) 2(g) KCl (g) ) 20

21 Grenzen der Klärschlammentsorgung hinsichtlich der Mitverbrennung Parameter Kohlekraftwerk MVA Zementwerk Brennstoff Steinkohle Braunkohle Abfall Fossiler Brennstoff Erforderlicher TS-Gehalt > 25% > 25% > 25% > 90% Klärschlamm mit P-Gehalt < 20 g/kg TS nach Klärschlammverordnung Limitierende Faktoren Baustoffnormen für Asche- und Staubverwertung Verschlackungs- und Korrosionsgefahr aufgrund hoher Dampfparameter Hohe spezifische Kosten Max. 20% auf Masse bezogene Mitverbrennung Einsatz auf vollgetrockneten KS begrenzt Lange Revisionszeiten im Winter Trocknerleistung Kohlemühle Hg-Emissionen Mögliche Feuerungstechnik nicht optimal Hg-Emissionen 21

22 Vergleich zwischen Mono- und Mitverbrennung im Kohlekraftwerk Monoverbrennung in KVA Ausrichtung: Entsorgung von Klärschlamm (Erlöse) Betriebsfahrweise: Volllastbetrieb; > h/a Kurze Lagerungszeiten / Planungssicherheit Emissionsschutzrecht: 17. BImSchV Niedrige Dampfparameter: niedrige Verschlackungs- und Korrosionsneigung schlechter Wirkungsgrad Bevorzugte Klärschlammeigenschaften: niedriger TS-Gehalt / Heizwert zur Erhöhung des Durchsatzes (Entsorgungserlöse) Investitionskosten: hoch aufgrund Errichtung einer neuen Anlage Mitverbrennung im Kohlekraftwerk Ausrichtung: Erzeugung von Strom und Wärme (Klärschlamm als Substitut zur Kohle) Betriebsfahrweise: Last abhängig vom Strompreis; < h/a lange Lagerungszeiten / Planungsunsicherheit Emissionsschutzrecht: 13. BImSchV BImSchV (Mischungsregel) hohe Dampfparameter: hohe Verschlackungs- und Korrosionsneigung durch Klärschlamm hoher Wirkungsgrad Bevorzugte Klärschlammeigenschaften: niedrige Schadstoffgehalte / Anteile zur Schonung der Anlage hoher TS-Gehalt / Heizwert zur Gewährleistung der Mahltrocknung Investitionskosten: gering, da wenige Modifikationen notwendig 22

23 4. Dezentrale Ansätze

24 Dezentrale thermische Verwertungsmöglichkeiten von Klärschlamm 24

25 Dezentrale Ansätze Vergasung Quelle: 25

26 Dezentrale Ansätze Hydrothermale Carbonisierung (HTC) Quelle: Grenol GmbH 26

27 Dezentrale Ansätze Pyrolyse Quelle: 27

28 Schematische Darstellung Pyrolyseverfahren 28

29 Massen-/ Energiebilanzierung des Pyrolyseverfahren externe Wärme: 121 kw th Abwärme: 150 kw th 271 kw th t/a KS 28 % TS aus Entwässerung Schlammtrockner (233 kw th ) t/a KS 90 % TS Pyrolyse-Reaktor 520 t/a Asche / Düngerohstoff Faulturmheizung: 38 kw th Randbedingungen: t/a H 2 O Verdampftes Wasser 591 t/a Abgasmenge Menge Klärschlamm: 1000 t TS/a = ca EW Betriebsstunden: h/a Mindestheizwert für Pyrolyse: 10 MJ/kg 29

30 TS-Gehalt nach Entwässerung [%] Energiebilanzierung des Pyrolyseverfahren TS-Gehalt ohne Fremdenergiezufuhr Randbedingungen: 10 MJ/kg Mindestheizwert 150 kw th aus Pyrolyse t TS Klärschlamm % 45 % Aschegehalt 50 % 52 % TS-Gehalt nach Trocknung [%] Quelle: Bachelorarbeit Th. Bier 30

31 Technische Vor- und Nachteile dezentraler Ansätze Vorteile Verringerung des Klärschlammvolumens Thermische Behandlung: Hygienisierung des Schlamms Kompatibel mit Novelle der KVO und 17. BImSchV Auskopplung von Wärme für Trocknung Erzeugung eines verwertbaren Produktes: Biokohle als Energieträger und / oder Bodenverbesserer Synthesegas als Energieträger Phosphorreicher Asche- / Substrataustrag: Mögliche Weiterverarbeitung zu Düngemitteln Somit deutliche Reduzierung der Entsorgungskosten für Klärschlamm möglich Rieselfähiger Ascheaustrag / Möglichkeit zur Pelletierung des Endproduktes: Technisch einfacher handhabbar für Lagerung und Transport Behandlung vor Ort: Reduzierung der CO 2 -Emissionen und Transportkosten Nachteile Modulbauweise für kleine Mengen Klärschlamm konzipiert Anwendung auf kleinere Kläranlagen beschränkt begrenztes Up-Scaling möglich Thermische Wärmeauskopplung reicht nicht vollständig zur Schlammtrocknung entwässerter Schlämme aus. Realisierung nur mit externer Wärmezufuhr möglich Eintrag der Schwermetalle in das Produkt: Verwertung abhängig von der Qualität des Schlammes Hoher Trocknungs- / Entwässerungsaufwand erforderlich (70% 90% TS) Behandlung von organisch hochbelastetem Filtratwasser notwendig (HTC) 31

32 5. Zusammenfassung und Ausblick

33 Zusammenfassung Möglichkeiten zur thermischen Klärschlammverwertung zentral Monoverbrennung Mitverbrennung dezentral Verbrennung Pyrolyse Vergasung Hydrothermale Carbonisierung Anwendung von vielen Standort- und Betreiber-spezifischen Faktoren abhängig Konzeptbetrachtungen und bewertungen müssen immer standort-scharf erfolgen und die Möglichkeiten des Betreibers hinsichtlich möglicher Kooperationsmodelle berücksichtigen. 33

34 Ausblick Vertiefung der Betrachtungen Vortrag der STEAG Energy Services auf den 10. KlärschlammTagen des DWA vom in Würzburg Erarbeitung Kunden-spezifischer Konzeptlösungen wird von STEAG Energy Services angeboten. 34

35 Kontakt: STEAG Energy Services GmbH Rüttenscheider Straße Essen Dipl.-Ing. Christian Hensel Dr.-Ing. Michael Nolte Tel.: 0201/ Tel.: 0201/