10 Jahre Erfahrungen mit Pyrolyse und Vergasung von Klärschlamm. Dipl.-Ing. Markus Gleis Umweltbundesamt Wörlitzer Platz Dessau-Roßlau

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1 10 Jahre Erfahrungen mit Pyrolyse und Vergasung von Klärschlamm Dipl.-Ing. Markus Gleis Umweltbundesamt Wörlitzer Platz Dessau-Roßlau

2 Anteil in %TS 60 Klärschlammbehandlung in Deutschland - Ein Überblick Menge kommunaler Klärschlamm 2012: t TS ,7 54,6 53,2 52,5 52,5 49, ,7 31,1 30,1 28,8 28,6 27, ,1 29,5 28,9 26,5 24,1 21,6 22,8 31, ,5 18,8 17,3 16,8 16, ,3 6, ,5 2,7 0 0,2 0, Deponie landwirtschaftliche VerwertungLandschaftsbau und sonst. stoffliche Verwertung Verbrennung

3 Klärschlammbehandlung in Deutschland - Ein Überblick 3 Blau= Monoverbrennung Rot=Mitverbrennung in Kraftwerken Quelle: Falko Lehrmann; Stand und Entwicklung der thermischen Klärschlammentsorgung in Deutlchland; Vortrag auf DWA-Klärschlammtage 2011

4 Klärschlammbehandlung in Deutschland - Ein Überblick 4 Monoverbrennung Kraftwerke Zementwerke Abfallverbrennung

5 5 Verfahrensprinzipien Pyrolyse und Vergasung T [ C] TDH HTC HTU H 2 O flüssig HTV H 2 O überkritisch H 2 O-Zugabe VTC H 2 O Dampf Allotherme Vergasung Allothermie Wärme (Trocknung) Torrefizierung NTK NTP <500 MTP HTP >800 Entgasung // Pyrolyse 0,2 l 0,5 Partielle Oxidation // Autotherme Vergasung Autothermie O 2 -Zugabe 1 l 2,5 Totale Oxidation // Verbrennung Strom Plasmaverfahren Pyrolyse Vergasung Verglasung Thermochemische Prozesse im Überblick

6 Verfahrensprinzipien Pyrolyse und Vergasung Homogene Vergasungsreaktionen 6 Pyrolysegase H 2, CO, CO 2, CH 4, C 2 H 6, C 2 H 4 Wasserdampf, O 2 -haltige org. Verb. höhere Kohlenwasserstoffe (Teere) Homogene Wassergas-Reaktion: CO + H 2 O CO 2 + H 2 Methanbildung: CO + 3 H 2 CH 4 + H 2 O Kohlenmonoxidoxidation: CO + ½ O 2 CO 2 Wasserstoffoxidation: H 2 + ½ O 2 H 2 O Vergasungsmittel O 2 (Luft), H 2 0, (CO 2 ) Produktgas H 2, CO, CH 4, CO 2, H 2 O N 2 bei Luftvergasung Teere Wärme Brennstoff Trocknung & Pyrolyse Heterogene Vergasungsreaktionen Vergaserkoks Mineralik und Restkohlenstoff Heterogene Wassergas-Reaktion: C + H 2 O CO + H 2 Boudouard-Reaktion: C + CO 2 2 CO Vollständige Verbrennung: C + O 2 CO 2 Unvollständige Verbrennung: C + ½ O 2 CO Hydrierende Vergasung: C + 2 H 2 CH 4 Pyrolyse und Vergasung im vereinfachten Überblick

7 Verfahrensprinzipien Pyrolyse und Vergasung 7 Nach dem eingestellten Temperaturniveau wird bei der Pyrolyse unterschieden in [Thomé 1979]: Niedertemperaturpyrolyse (NTP) T < 500 C Mitteltemperaturpyrolyse (MTP) 500 C 800 C Hochtemperaturpyrolyse (HTP) T > 800 C

8 Verfahrensprinzipien Pyrolyse und Vergasung 8 Produktspektrum bei der Pyrolyse von Holz in Abhängigkeit von Temperatur und Verweilzeit [Gerdes 2001] (schematisch).

9 Verfahrensprinzipien Pyrolyse und Vergasung 9 Vorgänge und Temperaturabhängigkeit der pyrolytischen Zersetzung von Cellulose, verändert nach [Thomé 1994].

10 Verfahrensprinzipien Pyrolyse und Vergasung 10 Vergasungsverfahren zielen auf die Überführung eines festen (z.t. auch flüssigen oder pastösen) Stoffes in ein möglichst heizwertreiches Brenn- oder Synthesegas, das eine höherwertige Folgenutzung ermöglicht als der feste Aggregatzustand des Ausgangsstoffes. Mögliche Vergasungsmittel sind: Luft, Sauerstoff, Wasserdampf und Kohlendioxid.

11 Grundlegende Prozessparameter der hydrothermalen Verfahren, verändert und ergänzt nach [Clemens 2011, Klemm 2009, EEK 2011]. 11 Hydrothermale Karbonisierung Hydrothermale Verflüssigung Hydrothermale Vergasung Vapothermale Karbonisierung Reaktionsmittel Wasser, flüssig Wasser, flüssig Wasser, überkritisch Sattdampf Temperatur C C C C Druck bar bar bar bar VWZ 2 16 h min 1 5 min 3 h Additiv/Kat Citronensäure, FeSO 4 Alkalicarbonate, Alkalihydroxide meist ohne Ohne Hauptprodukt Karbonisat Phenolreiche ölige Flüssigkeit H 2, CO 2, CH 4 Karbonisat Produktabtrennung Entwässerung Trocknung Phasentrennung Hydrophil - hydrophob Phasentrennung gasförmig - flüssig Trocknung

12 Entwicklungsstufen von thermischen Abfallbehandlungsverfahren, vereinfacht nach [VDI 3460]. 12 Entwicklungsstufe K r i t e Vorgabe r i u m Anlage/Verfahren Eingangs-/Ausgangsstoffe Marktchancen Tests im Labormaßstab, Massen- und Energiebilanzen Kernanlage Beschreibende Analyse Eingangs-/Ausgangsstoffe (Qualität, Quantität) Einschätzung Marktchancen Großanlage (Basis Laborergebnisse) Scale-up Darstellung Möglichkeiten & Risiken Scale-up, Planung Versuchsanlage Anlage/Verfahren Stationärer Betrieb, Versuchsanlage Massen- und Energiebilanzen Kernanlage Eingangs-/Ausgangsstoffe Marktchancen Scale-up Analyse Eingangs-/Ausgangsstoffe (Qualität, Quantität), Möglichkeiten & Grenzen Eingangsstoffe Abschätzung der Marktchancen einer Großanlage Rahmenbedingungen Scale-up, weitere Verfahrensschritte, Planung Technikumsanlage Betrieb Abschätzung möglicher Betriebsprobleme (Korrosion, Erosion,... ) Anlage/Verfahren Stationärer Betrieb Technikumsanlage (längere Zeit), Emissionsmessung Eingangs-/Ausgangsstoffe Prüfung der prozesstypischen Stoffe auf ihre Umweltrelevanz und Nutzbarkeit Marktchancen Scale-up Darlegung der Marktchancen einer Großanlage Technische und wirtschaftliche Interpretation Mess- und Analysenergebnisse bzgl. Großanlage, Größe Apparate, Materialien, Bau- und Betriebskosten Großanlage, Kosten pro Tonne Abfall Betrieb Einschätzung Reisezeit, Anlagenverfügbarkeit und Standzeit einer zu konzipierenden Großanlage Anlage/Verfahren Betrieb großtechnische Anlage in bestimmungsgemäßem Betrieb über ein bis zwei Jahre, Bestätigung der Massen- und Energiebilanzen, Emissionswerte Eingangs-/Ausgangsstoffe Marktchancen Nachweis der Eignung für geplante Eingangsstoffe, Möglichkeiten Produktvermarktung Validierung der Investitions- und Betriebskosten (Business-Plan) Betrieb Nachweis der Verfügbarkeit und Reisezeit Anlage/Verfahren Großtechnische Anlage im bestimmungsgemäßem Betrieb über mehrere Jahre, Beurteilung der Umweltrelevanz von Verfahren und Anlage Eingangs-/Ausgangsstoffe Marktchancen Nachweis der Entsorgung der Einsatzstoffe, Nachweis der Vermarktung prozesstypischer Produkte Nachvollziehbare Darstellung der Investitions- und Betriebskosten über mehrere Jahre Betrieb Optimierung Effizienz, Verfügbarkeit, Reisezeit

13 Verfahrensbeispiele für Pyrolyse und Vergasung von Klärschlamm 13 Verfahrensbeispiele: Niedertemperaturkonvertierung nach Prof. Bayer Crailsheimer Modell (Pyrobuster) Konzept Prof. Stadlbauer (Pilotversuche Füssen 25 kg/h) Kopf-SynGas-Vergaser (Kläranlage Mannheim)

14 14 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kontakt: Dipl.-Ing. Markus Gleis Umweltbundesamt Fachgebiet III 2.4 Wörlitzer Platz Dessau-Roßlau markus.gleis@uba.de