Klärschlamm Monoverbrennung Ab welcher Größe ist das realistisch?

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1 ÖWAV-Klärschlammseminar 2014 Klärschlammwende? Klärschlamm Monoverbrennung Ab welcher Größe ist das realistisch? Dr.-Ing. Gerrit Ermel ÖWAV-Klärschlammseminar und 21. November 2014 Wels 1 / 42

2 Gliederung 1. Einleitung 2. Ausgangslage 3. Verfahren 4. Varianten 5. Kosten 6. Fazit ÖWAV-Klärschlammseminar und 21. November 2014 Wels 2 / 42

3 Klärschlamm Monoverbrennung Ab welcher Größe ist das realistisch? Dr.-Ing. Gerrit Ermel Geschäftsführer, Unternehmensleitung Dr. Born - Dr. Ermel GmbH - Ingenieure - Dipl.-Ing. Jörn Frank Geschäftsführer Dr. Born - Dr. Ermel GmbH - Ingenieure - ÖWAV-Klärschlammseminar und 21. November 2014 Wels 3 / 42

4 1. Einleitung Ausstieg aus der landwirtschaftlichen Klärschlammverwertung in Deutschland als ein Punkt des Koalitionsvertrag 2014 (CDU/CSU/SPD) Einzig bleibende Möglichkeit, Thermische Entsorgung: - Kohlekraft- und Zementwerke, Müll- oder Mono- Verbrennungsanlagen Problematik der Mitverbrennung: - Kontingentbeschränkungen aufgrund rechtlicher und betrieblicher Vorgaben Monoverbrennungsanlagen: - Wirtschaftlich unabhängig, entsorgungssicher - Alleiniger Weg der Phosphorrückgewinnung aus Asche - Schadstoffentzug aus Klärschlamm Phosphor-Rückgewinnungs-Gebot in Vorbereitung ÖWAV-Klärschlammseminar und 21. November 2014 Wels 4 / 42

5 Einleitung Was könnte die Größe eine Monoverbrennung begrenzen? nach oben : keine Begrenzung (üblich sind mehrere Linien) nach unten : technische Randbedingungen ökonomische Randbedingungen ( / ttr) ÖWAV-Klärschlammseminar und 21. November 2014 Wels 5 / 42

6 2. Ausgangslage KS-Entsorgungswege in Deutschland Gesamtaufkommen Klärschlamm: ca. 2,0 Mio ttr/a Deponierung 2005 beendet (TASi) Derzeitige Entsorgungswege: Verbrennung 50% Landschaftsbau u. Dünger 50% Prämisse zukünftiger Entsorgungswege: Phosphor Recycling Quelle: UBA Texte 49/ Monitoring von Klärschlammaschen, 2014 ÖWAV-Klärschlammseminar und 21. November 2014 Wels 6 / 42

7 3.Verfahren Klassifizierung der thermischen Verfahren Verbrennungsluftverhältnis λ = m L.tats /m L.st λ = 0 : Kein Sauerstoff λ = 1 : Stöchiometrisch λ > 1 : Sauerstoffüberschuss ÖWAV-Klärschlammseminar und 21. November 2014 Wels 7 / 42

8 Anlagengrößen der thermischen (Mono) KS-Verwertung in Deutschland Anzahl WS 1 RF 1 VG 1 ZB 9 WS 1 PB < ttr/a ttr/a ttr/a 1 PB Pyrobuster 2 RF Rostfeuerung 21 WS Wirbelschicht 1 ZB Zykloidbrennk. 1 VG - Vergasung 4 WS ttr/a ttr/a Kommunale Anlagen 1 RF 2 WS ttr/a ttr/a 5 WS > ttr/a Wirbelschichtanlagen: ca. 75 % Größte Anlage: ca ttr/a Kleinste Anlage: ca ttr/a Ø Anlagengröße: ttr/a ÖWAV-Klärschlammseminar und 21. November 2014 Wels 8 / 42

9 Vergasung λ>0 (allgemein) Erfolgt in Gegenwart von begrenzten Luft- bzw. Sauerstoffmengen, Verbrennungsluft O2-Gehalt ~0 % Teilweise Umsetzung des Kohlenstoffbrennstoffes Bildung von Synthesegas mit den Bestandteilen CO, H2, CxHy Aufbereitung des Synthesegases zur weiteren thermischen Verwertung (BHKW, Gastturbine, Kessel etc.) Reinigung des Abgases ÖWAV-Klärschlammseminar und 21. November 2014 Wels 9 / 42

10 Vergasung (Fa. Kopf) Klärschlamm muss auf einen TR > 90 % gebracht werden Gasgemisch aus CH 4 (4 %), CO (17 %), CO 2 (14,5 %), H 2 (15 %), N (48 %) wird in Schüttung aus getrocknetem Klärschlammgranulat von Teer befreit Energiegehalt des Gases ca. 1,3 kwh/nm³ Quelle: Fa. Kopf ÖWAV-Klärschlammseminar und 21. November 2014 Wels 10 / 42

11 Referenzanlage Vergasung Fa. Kopf Anlage Balingen (seit 2002 in Betrieb) Durchsatz ttr/a, seit ttr/a (300 kg TR /h) FWL von ca. 1 MW Anlage Mannheim (seit 2010) Durchsatz ttr/a (625 kgtr/h) FWL von ca. 2,1 MW Quelle: Bauerfeld et al. (2013) ÖWAV-Klärschlammseminar und 21. November 2014 Wels 11 / 42

12 Vergasung (MEPHREC-Verfahren nach Ingitec GmbH) Nutzung des Energiepotentials von KS mit Rückgewinnung von Phosphor Brikettierung und Trocknung des KS Schmelzvergasung bei C Mineralische und metallische Fraktion Quelle: BMBF ÖWAV-Klärschlammseminar und 21. November 2014 Wels 12 / 42

13 Referenzanlage MEPHREC / Plasmaverfahren MEPHREC Versuchsanlage Nürnberg Inbetriebnahme Ende % Kapazität einer Großanlage Plasmaverfahren Abfallanlage Morcenx / Frankreich Inbetriebnahme Juni 2014 FWL 12 MW t/a Industrieabfall und Holzschnitzel ÖWAV-Klärschlammseminar und 21. November 2014 Wels 13 / 42

14 Pyrolyse λ=0 (allgemein) Thermo-chemischer Umwandlungsprozess unter Ausschluss von Sauerstoff durch indirekte Beheizung Führt zu synthetischen Flüssigkraftstoffen ähnlich wie Erdöl und brennbaren synthetischen Gasen (Pyrolysegas, Pyrolyseöl, Kondenswasser und Pyrolysekoks) Voraussetzung für das Pyrolyseverfahren ist getrockneter Klärschlamm Einteilung des Verfahrens in Niedertemperaturpyrolyse (400 C), Mitteltemperaturpyrolyse (800 C) Hochtemperaturpyrolyse (> C), Plasma ÖWAV-Klärschlammseminar und 21. November 2014 Wels 14 / 42

15 Pyrolyse (Fa. PYREG GmbH) Mindestheizwert 10 MJ/kg und TR > 50 % Karbonisierung des KS bei ~600 C. Pyrolysegas (CO, H2, CxHy) wird bei ~1200 C in Brennkammer (FLOX Brenner) umgewandelt. Abgaswärme zur KS Karbonisierung. Quelle: PYREG (2014) ÖWAV-Klärschlammseminar und 21. November 2014 Wels 15 / 42

16 Referenzanlage Pyrolyse Fa. PYREG Modularer Aufbau (Standard) Bis zu 240 kg TR /h (ca t TR /a) FWL 500 kw Anlage Linz-Unkel (in Realisierung) ÖWAV-Klärschlammseminar und 21. November 2014 Wels 16 / 42

17 Referenzanlage Rostfeuerung Fa. Huber SE, Sludge2energy-Verfahren Anlage Straubing, seit 2012 in Betrieb Durchsatz t TR /a (ca. 330 kg TR /h) 1 Verfahrenslinie FWL ca. 1,15 MW Quelle: Huber SE ÖWAV-Klärschlammseminar und 21. November 2014 Wels 17 / 42

18 Wirbelschichtverfahren (allgemein) Wirbelschicht sorgt für guten Impuls- und Wärmeaustausch Brennstoffstückgröße limitiert Keine beweglichen Teile vorhanden ÖWAV-Klärschlammseminar und 21. November 2014 Wels 18 / 42

19 Wirbelschichtverfahren (allgemein) Heizwert Klärschlamm >4.000 kj/kg zur autothermen Verbrennung (Entwässerung / Trocknung) Temperaturen in der Wirbelschicht C Ascheaustrag bevorzugt über Rauchgaspfad Gestufte Verbrennung mit PL O2-Gehalt ~0 % & SL O2-Gehalt >1 % Reduzierung von NOx-Bildung durch Primärluft (PL) Vollständige Verbrennung durch Sekundärluft (SL) ÖWAV-Klärschlammseminar und 21. November 2014 Wels 19 / 42

20 Referenzanlagen Wirbelschicht Standort Verbrennungstechnik Kapazität Inbetriebnahme Betriebsstunden Berlin-Ruhleben stat. Wirbelschicht Bitterfeld-Wolfen* stat. Wirbelschicht Bonn stat. Wirbelschicht Bottrop stat. Wirbelschicht Düren stat. Wirbelschicht Elverlingsen-Werdohl stat. Wirbelschicht Frankfurt am Main Etagenwirbler ttr/a 8. Gendorf* Wirbelschicht k.a. 9. Hamburg stat. Wirbelschicht Herne stat. Wirbelschicht k.a. 11. Karlsruhe stat. Wirbelschicht Lünen Wirbelschicht München stat. Wirbelschicht Stuttgart stat. Wirbelschicht Neu-Ulm stat. Wirbelschicht k.a. 16. Wuppertal stat. Wirbelschicht *Verbrennen kommunalen und industriellen Klärschlamm h/a Quelle: UBA (2012) ÖWAV-Klärschlammseminar und 21. November 2014 Wels 20 / 42

21 Wirbelschicht - Bauformen Stationär Zirkulierend ÖWAV-Klärschlammseminar und 21. November 2014 Wels 21 / 42

22 Skalierungsaspekte von Wirbelschichten Strömungsmechanik und Verbrennungsverhalten konkurrieren! ÖWAV-Klärschlammseminar und 21. November 2014 Wels 22 / 42

23 Skalierung von Wirbelschichten Quelle: AE&E, STF Hong Kong, 30 MWth Quelle: Raschka Engineering, 1 MWth ÖWAV-Klärschlammseminar und 21. November 2014 Wels 23 / 42

24 Skalierungsaspekte von Wirbelschicht Parameter/Faktor Großanlage Kleinanlage Feuerraumvolumen Groß Klein Leerrohrgeschwindig. 1 2 m/s 1 2 m/s Luftzugabe (PL, SL) Mehr Düsen Weniger Düsen Gasdurchmischung Hoher Impuls Geringerer Impuls Brennstoffzugabe Mehrere Aufgaben Wenige Aufgaben Wärmefreisetzung FR Membranwände Adiabate Kammer CFD Simulation für Brennstoffzugabe, Strömungsprofile (v, T) und Konzentrationsverteilung ÖWAV-Klärschlammseminar und 21. November 2014 Wels 24 / 42

25 Kleiner Wirbelschichtofen ÖWAV-Klärschlammseminar und 21. November 2014 Wels 25 / 42

26 Kleine Wirbelschichtanlage, Isometrie ÖWAV-Klärschlammseminar und 21. November 2014 Wels 26 / 42

27 CFD-Simulation Wirbelschichtofen ÖWAV-Klärschlammseminar und 21. November 2014 Wels 27 / 42

28 CFD-Simulation Wirbelschichtofen ÖWAV-Klärschlammseminar und 21. November 2014 Wels 28 / 42

29 CFD-Simulation Wirbelschichtofen ÖWAV-Klärschlammseminar und 21. November 2014 Wels 29 / 42

30 4.Vergleiche Vergleich von thermischen Klärschlammverwertungsanlagen Parameter EW Leistung *) Ausführung Variante ttr/a Komm./Kostenopt. Variante ttr/a Kommunal Variante ttr/a Kostenoptimiert *) Faulschlammverbrennung Zum Vergleich: Hong Kong ttr/a aufwendige Architektur Lünen ttr/a größte Anlage in Deutschland ÖWAV-Klärschlammseminar und 21. November 2014 Wels 30 / 42

31 Variante 1 Fließschema ÖWAV-Klärschlammseminar und 21. November 2014 Wels 31 / 42

32 Variante 1 Auslegungsrandbedingungen Maximale Stromerzeugung bei optimaler Wärmenutzung durch Dampfturbine mit Entnahme für die Trocknung Brüdenkondensation zur Wärmeversorgung 70 C 85 C - 90 C 90 C Klärschlamm ÖWAV-Klärschlammseminar und 21. November 2014 Wels 32 / 42

33 Variante 1 Auslegungsrandbedingungen Reduzierung der Anlagenverluste durch einen 2-stufigen Ofen zur Reduzierung der Abgasverluste. 1 stufige Verbrennung 2 stufige Verbrennung Große Gasvolumen hoher Strombedarf Tendenz zu hohen CO- und NOx- Emissionen Teillastverhalten eingeschränkt Geringe CO- und NOx- Emissionen Gutes Teillastverhalten -25 % Abgasverluste -15 % Stromeigenbedarf Brennstoff Sekundärluft Sekundärluft Brennstoff Primärluft Primärluft ÖWAV-Klärschlammseminar und 21. November 2014 Wels 33 / 42

34 Variante 2 & 3 Fließschema ÖWAV-Klärschlammseminar und 21. November 2014 Wels 34 / 42

35 Variante 2 & 3 Auslegungsrandbedingungen Schlammannahme Entwässerter KS - Keine Bunkerkapazitäten Stromerzeugung Keine Stromproduktion aus KS-Verbrennung (Faulgas-BHKW) Wärmeerzeugung Nutzung ausschließlich für die KS-Trocknung Brüden Kondensation (Wärmerückgewinnung) und Einleitung in das Klärwerk (N- Belastung!) ggf. Brüdenaufbereitung erforderlich. Mitverbrennung /Nachverbrennung Kein Abwasser aber auch keine Wärmenutzung. Erhöhte Trocknungsleistung erforderlich. ÖWAV-Klärschlammseminar und 21. November 2014 Wels 35 / 42

36 Stoffströme Parameter Einheit Wert Wert Durchsatz gesamt t TR /a Stündlicher Durchsatz t TR /h 4,40 0,250 TR-Gehalt, Mischung Ofeneintritt % Feuerungswärmeleistung MW th 11 0,950 Luftvorwärmung C Klemmenleistung Turbine MW el 1,4 - Stromabgabe Turbine, brutto MW el 0,4 - Energiebedarf Trocknung MW th 7,0 0,430 Wasserverdampfung (Trocknung) t H2O /h 7,8 0,475 Branntkalk Bedarf Rauchgasreinigung kg/h HOK Bedarf kg/h 5 0,2 Reststoffe zur Entsorgung t/a Asche zur Verwertung t/a ÖWAV-Klärschlammseminar und 21. November 2014 Wels 36 / 42

37 Variante 1 & 2/3 Beispielhafte Bauweisen ÖWAV-Klärschlammseminar und 21. November 2014 Wels 37 / 42

38 5. Kosten Investitionskosten (ohne Entwässerung, ohne Mehrwertsteuer) Kosten in (netto) Variante 1 Variante 2 Variante 3 Jahresmenge ttr/a ttr/a ttr/a Verfahrenstechnik , , ,- Bautechnik , , ,- E-, MSR-Technik , , ,- Nettoherstellkosten , , ,- Nebenkosten , , ,- Nettoinvestitionen , , ,- ÖWAV-Klärschlammseminar und 21. November 2014 Wels 38 / 42

39 Spezifische Kosten (ohne Entwässerung, ohne Mehrwertsteuer) Parameter Variante 1 Variante 2 Variante 3 Jahresmenge ttr/a ttr/a ttr/a Investitionskosten Jahreskosten /a /a /a Spezifische Kosten 157 /t TR 640 /t TR 510 /t TR Kosten in (netto) Aktuelle spezifische Kosten Monoverbrennung nach UBA: /t TR ÖWAV-Klärschlammseminar und 21. November 2014 Wels 39 / 42

40 6. Fazit Kleinere und mittlere Klärschlammverbrennungen sind technisch realisierbar. Die kleine Anlage benötigt mindestens ttr/a oder EGW, wegen der spezifischen Kosten besser ttr/a oder EGW Die Technik der Anlagen entspricht dem Stand der Technik von Großanlagen. Der Ausbaustandard der KVA ist individuell festzulegen - eine Faulung vor der Verbrennung ist im Rahmen des Gesamtkonzeptes energetisch sinnvoll. Die Wirbelschichtfeuerung dominiert die Anlagentechnik - die mehrstufige Verbrennung zeigt Vorteile beim Emissions- und Ausbrandverhalten. Die spezifische Kosten sind (noch) höher als in Großanlagen. Die Kosten liegen bei mittelgroßen Anlagen im Bereich der Mitverbrennung. ÖWAV-Klärschlammseminar und 21. November 2014 Wels 40 / 42

41 David gegen Goliath? Weltgrößte Anlage Hong Kong Entwässerter Klärschlamm 4x ttr/a Klein(st)e kommunale Anlage Entwässerter u. getrockneter Klärschlamm 1x ttr/a ÖWAV-Klärschlammseminar und 21. November 2014 Wels 41 / 42

42 VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT SMALL CAN BE BEAUTIFUL Finienweg ACHIM Tel: 04202/ be@born-ermel.de ÖWAV-Klärschlammseminar und 21. November 2014 Wels 42 / 42