Beispiele für Mono-Klärschlammverbrennungsanlagen im kleinen bis mittleren Leistungsbereich

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1 Beispiele für Mono-Klärschlammverbrennungsanlagen im kleinen bis mittleren Leistungsbereich Dipl.-Ing. (TU) Ralf Wittstock Projektleiter Dr. Born - Dr. Ermel GmbH - Ingenieure -

2 Gliederung 1. Einleitung 2. Ausgangslage 3. Optionen der Verwertung 4. Variantendiskussion 5. Kostenrahmen 6. Zusammenfassung

3 1. Einleitung 4 Verschärfung der Grenzwerte nach AbfKlärV und DüMV 4 Bei Überschreitung der Grenzwerte keine landwirtschaftliche Ausbringung oder Nutzung im Landschaftsbau/Rekultivierung möglich 4 Einzige Möglichkeit dann, Thermische Entsorgung: -Kohlekraft- und Zementwerke, Müll- oder Mono-Verbrennungsanlagen 4 Problematik der Mitverbrennung: -Kontingentbeschränkungen aufgrund rechtlicher und betrieblicher Vorgaben -Nicht immer wirtschaftliche Form der Entsorgung 4 Monoverbrennungsanlagen: -Wirtschaftlich unabhängig, entsorgungssicher -Alleiniger Weg der Phosphorrückgewinnung -Schadstoffentzug aus Klärschlamm -Bestmögliche Nutzung des enthaltenen Energiepotentials

4 2. Ausgangslage Schlammanfall und -behandlung [nach UBA 2012] 4 Klärschlamm, ein Gemisch aus Feststoffen (Primärschlamm) und Bakterienmasse (Sekundärschlamm) 4 Spez. Schlammanfall pro Tag: 1,50 2,00 l/(e*d) oder ca. 80 g TS /(E*d) mit etwa 2 3 % TS 4 Jährlich anfallende Menge an kommunalem Abwasser: ~ 10 Mio. m³/a oder ca. 2 Mio. t TS /a

5 2. Ausgangslage Schlammanfall und -behandlung 4 Klärschlammentsorgung in den Jahren 1991 bis XX Zunehmende Verbrennungsmenge? Zukünftige Nutzung? [UBA 2012]

6 2. Ausgangslage Schlammbeschaffenheit und Energiepotential 4 Wesentliche Roh- und Faulschlammparameter [Thomé-Kozmiensky1998] Glühverlust Aschegehalt Wassergehalt Heizwert % GV % TS % Wasser MJ/kg TS Rohschlamm Faulschlamm Energiepotential Klärschlamm: 17 MJ/kg TS (Rohschlamm, rd. 70 % GV) 4 Abwasserbehandlungsanlage: Mio. EW, also t TS /a 4 Jährliches Energiepotential: GJ/a, oder GWh/a

7 2. Ausgangslage Phosphoranteil 4 Aktuell übliche angenommener Anteil im Klärschlamm: 1,80 g Phosphor /(E*d) 4 Jährliches Potential: Abwasserbehandlungsanlage Mio. EW Mg Phosphor /a 4 Potential zur Rückgewinnung: Je nach Verfahren, %

8 3. Optionen der Verwertung 4 Mit- bzw. Monoverbrennung durch verschiedene Feuerungstechniken 4 Konstruktionsbedingte spezifische Vor- und Nachteile 4 Erläuterung der Technik anhand der Rost- und Wirbelschicht 4 Alternative Verfahren: -Wenig realisierte Anlagen mit Regelbetrieb vorhanden -Kaum belastbare Aussagen möglich hinsichtlich Betrieb und Wirtschaftlichkeit

9 4. Variantendiskussion Allgemeines 4 Übersicht Betriebseinheiten Varianten Betriebseinheit Variante 1 Variante 2 Variante 3 Durchsatz t TS /a t TS /a t TS /a t TS /a Schlammannahme Annahmebunker, Zwischensilo Annahmebunker, Zwischensilo Annahmebunker, Zwischensilo Annahmebunker, Stapelbunker Trocknung Bandtrocknetrocknetrocknetrockner Schnecken- Dünnschicht- Scheiben- Verbrennung Rostofen Wirbelschichtofen Wirbelschichtofen Wirbelschichtofen Wärmerückgewinnung Kessel Kessel Wasser-Dampf- Wasser-Dampf- Thermoöl-Kessel Thermoöl-Kessel Stromproduktion Turbine ORC ORC Turbine Rauchgasreinigung Trocken Trocken Trocken Trocken Asche- und Reststoffverladung Silo Silo Silo Silo

10 4. Variantendiskussion Wirbelschichtfeuerung 4 Stationäre Wirbelschichtfeuerung am verbreitetsten (effiziente, schadstoffarme Technologie) 4 Gemauerte Öfen, geschlossener Düsenboden oder offen mit Düsenbalken 4 Wirbelbett, in der vertikal konischen Brennkammer besteht aus Sandschicht (t = ca. 800 ºC) 4 Eingetragener Klärschlamm, rest -getrocknet, zermahlen und verbrannt 4 Vollständiger Ascheaustrag aus Brennraum, Rückhaltung mittels Zyklon oder Filter 4 Schlammaufgabe: teilgetrocknet (35 50 % TS)

11 4. Variantendiskussion Wirbelschichtfeuerung 4 Temperatur Rauchgas, Eintritt Kessel: ~ ºC 4 Wärmerückgewinnung zur Erzeugung von Dampf bzw. zur Erwärmung von Thermoöl 4 Temperatur Rauchgas, Austritt Kessel: ~ ºC 4 Wärmeübertragung mittels: -Wasser-Dampf-System größer 450 ºC -Thermoölkessel bis 350 ºC - Heißwassersystem ca. 180 ºC 4 Nutzung Wärmeauskopplung: -Turbine -Trocknung -Fernwärme -etc.

12 4. Variantendiskussion Wirbelschichtfeuerung 4 Trocknungsaggregat, bsph.: Dünnschichttrockner 4 Geschlossene Bauweise, horizontaler Stator mit doppelwandigem Zylinder und innenliegendem Rotor 4 Sattdampf/Thermoöl durchströmt Zylinder-Doppelmantel 4 Sowohl Teil- als auch Volltrocknung möglich (Leimphase wird durchfahren) 4 Brüden-Reinigung: -Kondensat zu KA -Abluft über Biofilter -Wärmenutzung gegeben [ATV-DVWK 2004]

13 4. Variantendiskussion Wirbelschichtfeuerung 4 Rauchgasreinigungssystem, Abscheidung von: -Staub -Saure Bestandteile -Schwermetalle 4 Verfahren: trockenen, halbtrocken oder nass 4 Technische Bestandteile: -Zyklon -Elektro- und Gewebefilter -Rauchgaswäscher

14 4. Variantendiskussion Rostfeuerung 4 Rostfeuerungsöfen (verbreitet insbesondere in Skandinavien) 4 Ausgemauerter Ofenraum 4 Verbrennung mittels Rostsystem (versch. Verbrennungszonen) 4 Austragssystem für Schlacke am Rostende 4 Im Oberteil, Nachbrennkammer mit Übergang zum Kessel 4 Unterhalb des Rostes, Zuleitung Verbrennungsluft 4 Schlammaufgabe: getrocknet > 80 % TS

15 4. Variantendiskussion Wirbelschichtfeuerung 4 Temperatur Rauchgas, Eintritt Kessel: ~ ºC 4 Wärmerückgewinnung zur Erzeugung von Dampf bzw. zur Erwärmung von Thermoöl 4 Temperatur Rauchgas, Austritt Kessel: ~ ºC 4 Wärmeübertragung mittels: -Wasser-Dampf-System größer 450 ºC -Thermoölkessel bis 350 ºC - Heißwassersystem ca. 180 ºC 4 Nutzung Wärmeauskopplung: -Turbine -Trocknung -Fernwärme -etc.

16 4. Variantendiskussion Rostfeuerung 4 Trocknungsaggregat, hier: Bandtrockner 4 Geschlossene Bauweise, umlaufendes Band aus Edelstahl-Lochblech 4 Sattdampf/Thermoöl erwärmt die durchströmende Luft 4 Nur Volltrocknung möglich (Leimphase wird durchfahren) 4 Stäbchen-förmiges Trockengut (Voraussetzung für Rostofen) 4 Brüden-Reinigung: -Kondensat zu KA -Abluft über Biofilter -Keine Wärmenutzung möglich [ATV-DVWK 2004]

17 4. Variantendiskussion Rostfeuerung 4 Rauchgasreinigungssystem, Abscheidung von: -Staub -Saure Bestandteile -Schwermetalle 4 Verfahren: trockenen, halbtrocken oder nass 4 Technische Bestandteile: - Kein Zyklon oder E-Filter notwendig (geringe Staubbelastung) -Gewebefilter -Rauchgaswäscher

18 4. Variantendiskussion Bemessungsergebnisse Parameter Einheit Variante 1 Variante 2 Variante 3 t TS /a MW th t/h Trocknung - Durchsatzleistung Ofengröße Dampfmenge Wasserverdampfung Trocknung Rauchgasvolumenstrom Klemmenleistung Turbine Reststoffe zur Entsorgung Asche zur Verwertung 4 (13 bar/230 C) 50 m³/h (Thermoöl) 140 m³/h (Thermoöl) 9 (65 bar/450 C) t/h 1,80 0,65 1 4,50 Voll, gesamte Menge Voll, Teilstrom Voll, Teilstrom Teil, gesamte Menge m³ N,f /h MW 0,15 0,15 0,55 1,10 t/a t/a

19 5. Kostenrahmen Investitionen und Jahreskosten 4 Investitionen: -Alle erforderlichen Aggregate -Gesamte Bau- und Elektrotechnik -Planung und Detail-Engineering 4 Jahreskosten: -Kapitalkosten, Instandhaltung, Personal, Betriebsmittel, Entsorgung Parameter Einheit Variante 1 Variante 2 Variante 3 Durchsatz t TS /a Investitionen Mio., netto 10,50 10,60 14,50 26,30 Kapitalkosten Mio. /a, netto 1,10 1,10 1,05 2,35 Betriebskosten Mio. /a, netto 0,50 0,60 0,95 1,60 Jahreskosten Mio. /a, netto 1,60 1,70 2,10 3,95

20 5. Kostenrahmen Spezifische Kosten 4 Fazit: Steigender Durchsatz, lässt spezifische Kosten sinken Parameter Spezifische Kosten Einheit Variante 1 Variante 2 Variante 3 /t TS, netto

21 5. Kostenrahmen Spezifische Kosten 4 Vergleich: Vorhandene spezifische Kosten mit aktuellen UBA-Kosten [UBA 2012] 4 Fazit: Vorgestellte Varianten liegen innerhalb aktueller Kostenspanne (180 bis 400 /t TR ; inkl. Entwässerung, Trocknung)

22 5. Kostenrahmen Spezifische Kosten 4 Kosteneinsparungen möglich durch: -Vorsehen von einfacher Verfahrenstechnik (trockene RGR, Verzicht auf Rechengutmitverbrennung) -neuartige Ofensysteme -Zukauf von Klärschlämmen -Verkauf von Wärme -Verkauf von Aschen (Phosphorrückgewinnung) -Zusammenschluss von mehreren Gemeinden (Betreibergesellschaft, Minimierung Kostenniveau/Betrieberrisiko)

23 6. Zusammenfassung 4 Thermische Verwertung zukünftig stärker gefordert durch rechtliche Änderungen (AbfKlärV, DüMV) 4 Unabhängige, kostengünstige und langfristig sichere Entsorgung durch Anschaffung einer eigenen thermischen Verwertungsanlage 4 Untersuchung von drei Varianten mit unterschiedlichen Durchsätzen und Systemkomponenten ( t TS /a) 4 Spezifische Kosten zwischen /t TS spiegeln aktuelle Kostensituation des UBA wieder 4 Phosphorrückgewinnung nur über Monoverbrennung möglich ( Schweizer Ansatz ist anzustreben) 4 Aufgezeigte Varianten preislich konkurrenzfähig zur Mitverbrennung 4 Varianten bieten über gesamte Betriebszeit gleichbleibendes Kostenniveau für Betreiber, als auch für Beitragszahler

24 Beispiele für Mono-Klärschlammverbrennungsanlagen im kleinen bis mittleren Leistungsbereich Dipl.-Ing. (TU) Ralf Wittstock Projektleiter Dr. Born - Dr. Ermel GmbH - Ingenieure -