Verfahren zur thermischen Klärschlammbehandlung

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1 Klärschlammnetzwerk Nord-Ost der 3. Netzwerktag Verfahren zur thermischen Klärschlammbehandlung Dr. Tammo Rebling umwelttechnik & ingenieure GmbH Wöhlerstraße Hannover Tel

2 umwelttechnik & ingenieure GmbH seit 1993 Waste to Energy google.de 35 Mitarbeiter Biogas international tätig Recycling Konzepte & Planungen Genehmigungen Business Calculator & Online Tools Bauüberwachung Verfahren zur thermischen Klärschlammbehandlung 1

3 Gliederung Klärschlammentsorgung in Deutschland Mitverbrennung Monoverbrennung Alternative Verfahren Abschließender Vergleich Verfahren zur thermischen Klärschlammbehandlung 2

4 Klärschlammentsorgung in Deutschland Die Klärschlammentsorgung in Deutschland ist im Umbruch! Stillhaltefrist der EU Notifizierung der "Verordnung zur Neuordnung der Klärschlammverwertung" ist am abgelaufen. Bundeskabinett beschloss Novelle am Abstimmung im Bundesrat voraussichtlich im Mai 2017 Zukünftig ist bei einer Überschreitung von Grenzwerten keine landwirtschaftliche Ausbringung oder Nutzung im Landschaftsbau mehr möglich. Alternative: Thermische Verfahren der Klärschlammbehandlung Verfahren zur thermischen Klärschlammbehandlung 3

5 [t TM] Klärschlamm Klärschlammentsorgung in Deutschland 1995 wurden 12 % thermisch verwertet 2015 wurden 64 % thermisch verwertet stoffliche Verwertung thermische Verwertung Deponierung seit Juni 2005 ohne Vorbehandlung verboten stoffliche Verwertung wird weiter abnehmen Datengrundlage: Jahr Verfahren zur thermischen Klärschlammbehandlung 4

6 [t TM] Klärschlamm [t TM] Klärschlamm Klärschlammentsorgung in Deutschland stoffliche Verwertung thermische Verwertung Datengrundlage: Jahr Datengrundlage: Monoverbrennung Mitverbrennung 2004 unbekannt Jahr Verfahren zur thermischen Klärschlammbehandlung 5

7 Übersicht thermochemischer Prozesse Thermische Verfahren zur Klärschlammbehandlung Anwesenheit flüssig H 2 O Anwesenheit gasförmig H 2 O Sauerstoff- Abschluss l = 0 Sauerstoff- Mangel 0,2 l 0,5 Sauerstoff- Überschuss 1,0 l 2, C C C > 600 C > 700 C Hydrothermale Carbonisierung (HTC) Vapothermale Carbonisierung (VTC) Pyrolyse Vergasung Verbrennung steigender O 2 - und Trockenmasse-Bedarf für optimale Umsetzung erforderlich Verfahren zur thermischen Klärschlammbehandlung 6

8 Optionen thermischer Klärschlammbehandlung Klärschlamm Schlammbehandlung z. B. Entwässerung, Trocknung Mitverbrennung Monoverbrennung alternative Verfahren Kohlekraftwerk Staubfeuerung Müllverbrennung Rostfeuerung Sonstige Anlagen z. B. Zementwerk Drehrohrofen z. B. Wirbelschichtfeuerung, Etagenofen, Zykloidfeuerung, Schmelzofen, Drehrohrofen HTC Pyrolyse Vergasung Verfahren zur thermischen Klärschlammbehandlung 7

9 Optionen thermischer Klärschlammbehandlung Klärschlamm Schlammbehandlung z. B. Entwässerung, Trocknung Mitverbrennung Monoverbrennung alternative Verfahren Kohlekraftwerk Staubfeuerung Müllverbrennung Rostfeuerung Sonstige Anlagen z. B. Zementwerk Drehrohrofen z. B. Wirbelschichtfeuerung, Etagenofen, Zykloidfeuerung, Schmelzofen, Drehrohrofen HTC Pyrolyse Vergasung Verfahren zur thermischen Klärschlammbehandlung 8

10 Mitverbrennung Kohlekraftwerk Entwässerter u. stabilisierter Klärschlamm wird mittels Putzmeisterpumpen in Kohlemühlen eingetragen. Bewährt bis 5 % der Brennstoffmasse. Beispiel: Kraftwerk Staudinger/Großkrotzenburg bis zu t/a TM Klärschlamm Quelle: Wikipedia Leistungen von u&i für Block 5: Techn. Zuarbeit Genehmigung Ausschreibung Bauleitung Quelle: Verfahren zur thermischen Klärschlammbehandlung 9

11 Mitverbrennung Kohlekraftwerk Anteil volatiler Energien nimmt zu ist Bedeutung der Kohlekraftwerke in Deutschland gesunken. schlechtes Laständerungsverhalten Rückgang Stromproduktion um 6,5 % Strompreise steigen wegen Energiewende bis 2023 Bei gleichbleibendem Rückgang geht 2038 das letzte Kohlekraftwerk vom Netz Verfahren zur thermischen Klärschlammbehandlung 10

12 Anzahl Kraftwerke Mitverbrennung Kohlekraftwerk Kohlekraftwerke sollen langfristig vom Netz gehen altersbedingt/klimaschutz bis 2019 werden 11 Kraftwerke stillgelegt 1 Neubau in Datteln (Steinkohle) geplant Potenzielle Mitverbrennungsstandorte entfallen! Rückgang Kohlekraftwerke in Deutschland Steinkohle Braunkohle Datengrundlage Bundesnetzagentur ; Status "In Betrieb" Verfahren zur thermischen Klärschlammbehandlung 11

13 Optionen thermischer Klärschlammbehandlung Klärschlamm Schlammbehandlung z. B. Entwässerung, Trocknung Mitverbrennung Monoverbrennung alternative Verfahren Kohlekraftwerk Staubfeuerung Müllverbrennung Rostfeuerung Sonstige Anlagen z. B. Zementwerk Drehrohrofen z. B. Wirbelschichtfeuerung, Etagenofen, Zykloidfeuerung, Schmelzofen, Drehrohrofen HTC Pyrolyse Vergasung Verfahren zur thermischen Klärschlammbehandlung 12

14 Mitverbrennung Müllverbrennung Überwiegend Rostfeuerungen (Wirbelschichtfeuerungen) Genehmigung nach 17. BImSchV Änderungsgenehmigung nach aktuellem Stand der Gesetze, wenn Mitverbrennung von Klärschlamm erfolgen soll. 850 C für 2 sec Beispiel: Aufbau einer Rostfeuerung Auskopplung Strom / Wärme Verfahren zur thermischen Klärschlammbehandlung 13

15 Mitverbrennung Müllverbrennung Unterschiedliche Konzepte der Klärschlammaufgabe: Getrocknet als Staub in Feuerraum einblasen Entwässert in Brennraum einstreuen Entwässert/getrocknet dem Müll beimischen Gefahr unvollständiger Verbrennung von Klärschlamm (Rostdurchfall) Verfahren zur thermischen Klärschlammbehandlung 14

16 Mitverbrennung Müllverbrennung Überkapazität aus 2013 ist abgebaut. Momentan sind Müllverbrennungsanlagen sehr gut ausgelastet: Heizwertreiche Müllimporte Gute Konjunktur Bevölkerungswachstum Steigende Preise für Mitverbrennung. Änderungen nicht abzusehen! Beispiel: EBS-Kraftwerk Größräschen t EBS/a 102 MW th Leistungen von u&i: Planung Genehmigung Ausschreibung Bauleitung Verfahren zur thermischen Klärschlammbehandlung 15

17 Mitverbrennung Übersicht Vorteile - Zerstörung organischer Schadstoffe - energetische Nutzung möglich - Nutzung bestehender Anlagen - Keine vollständige Trocknung erforderlich ab ca. 20 % TM Nachteile - Nutzung der Nährstoffe/P- Rückgewinnung aus Asche ist nicht möglich - Mitverbrennung künftig nur für Schlämme mit niedrigem P-Gehalt möglich P muss vor Verbrennung entzogen werden - Umweltbelastungen bei weiten Transportstrecken - Unsichere Entwicklung der Kapazitäten Keine langfristige und sichere Mitverbrennung absehbar! Verfahren zur thermischen Klärschlammbehandlung 16

18 Mitverbrennung Übersicht Vorteile - Zerstörung organischer Schadstoffe - energetische Nutzung möglich - Nutzung bestehender Anlagen - Keine vollständige Trocknung erforderlich ab ca. 20 % TM Nachteile - Nutzung der Nährstoffe / P- Rückgewinnung aus Asche ist nicht möglich - Mitverbrennung künftig nur für Schlämme mit niedrigem P-Gehalt möglich P muss vor Verbrennung entzogen werden - Umweltbelastungen bei weiten Transportstrecken - Unsichere Entwicklung der Kapazitäten Keine langfristige und sichere Mitverbrennung absehbar! Thesen: Neue Mitverbrennungskapazitäten wird es in Zukunft nicht geben! Bis 2026 Rückgang vorhandener Kapazitäten um ca. 40 % (Langenohl 2015) Verfahren zur thermischen Klärschlammbehandlung 17

19 Optionen thermischer Klärschlammbehandlung Klärschlamm Schlammbehandlung z. B. Entwässerung, Trocknung Mitverbrennung Monoverbrennung alternative Verfahren Kohlekraftwerk Staubfeuerung Müllverbrennung Rostfeuerung Sonstige Anlagen z. B. Zementwerk Drehrohrofen z. B. Wirbelschichtfeuerung, Etagenofen, Zykloidfeuerung, Schmelzofen, Drehrohrofen HTC Pyrolyse Vergasung Verfahren zur thermischen Klärschlammbehandlung 18

20 Monoverbrennung von Klärschlamm 75 % der Anlagen besitzen stationäre Wirbelschichttechnologie effizient und zuverlässig seit über 30 Jahren erprobt Verfahrensprinzip am Beispiel der Klärschlammverbrennung Karlsruhe: Mehrstufige Klärschlammvorbehandlung Monoverbrennung in einem stationären Wirbelschichtofen Rauchgasreinigung Verfahren zur thermischen Klärschlammbehandlung 19

21 Monoverbrennung von Klärschlamm Genehmigung nach 17. BImSchV. Leistungsspektrum zwischen und t TM/a. Inerter Wirbelsand als Wärmespeicher, Impuls- und Wärmetauscher mit Brennstoff. Erforderliche Klärschlammqualität für autotherme Verbrennung ohne Zusätze: unterer Heizwert: ~4.500 kj/kg TM: % P-Rückgewinnung aus Asche möglich: P-Konzentration ca Masse-% Quelle: Fa. Eisenmann Verfahren zur thermischen Klärschlammbehandlung 20

22 Monoverbrennung von Klärschlamm Gesamt-Klärschlammaufkommen in Deutschland % 38% Vorhandene Kapazitäten in Monoverbrennungsanlagen Fehlende Kapazitäten in Monoverbrennungsanlagen Abschätzung von Langenohl (KA ): 2026 fehlen Kapazitäten in Monoverbrennung zwischen und t TM/a. Dies entspricht 21 Anlagen mit Kapazität von t TM/a Verfahren zur thermischen Klärschlammbehandlung 21

23 Monoverbrennung Übersicht Vorteile Nachteile - Zerstörung organischer Schadstoffe - energetische Nutzung möglich - Gute Planungssicherheit für Kläranlagenbetreiber - P-Rückgewinnung aus Asche möglich - P-Rückgewinnung aus Asche ist technisch aufwändig - Kostenintensiver Entsorgungsweg Wirtschaftlichkeit ab Ausbaugröße von ca t TM/a (1,5 Mio. EW) - Erweiterung der Kapazitäten nur langfristig möglich Planung, Genehmigung und Bau 8 bis 10 Jahre Verfahren zur thermischen Klärschlammbehandlung 22

24 Monoverbrennung Übersicht Vorteile Nachteile - Zerstörung organischer Schadstoffe - energetische Nutzung möglich - Gute Planungssicherheit für Kläranlagenbetreiber - P-Rückgewinnung aus Asche möglich - P-Rückgewinnung aus Asche ist technisch aufwändig - Kostenintensiver Entsorgungsweg Wirtschaftlichkeit ab Ausbaugröße von ca t TM/a (1,5 Mio. EW) - Erweiterung der Kapazitäten nur langfristig möglich Planung, Genehmigung und Bau 8 bis 10 Jahre Thesen: Neubau von Monoverbrennungsanlagen ist für eine langfristige Entsorgungssicherheit erforderlich! Ein Entsorgungsengpass ist eine Chance für alternative Verfahren! Verfahren zur thermischen Klärschlammbehandlung 23

25 Optionen thermischer Klärschlammbehandlung Klärschlamm Schlammbehandlung z. B. Entwässerung, Trocknung Mitverbrennung Monoverbrennung alternative Verfahren Kohlekraftwerk Staubfeuerung Müllverbrennung Rostfeuerung Sonstige Anlagen z. B. Zementwerk Drehrohrofen z. B. Wirbelschichtfeuerung, Etagenofen, Zykloidfeuerung, Schmelzofen, Drehrohrofen HTC Pyrolyse Vergasung Verfahren zur thermischen Klärschlammbehandlung 24

26 Übersicht thermochemischer Prozesse Thermische Verfahren zur Klärschlammbehandlung Anwesenheit flüssig H 2 O Anwesenheit gasförmig H 2 O Sauerstoff- Abschluss l = 0 Sauerstoff- Mangel 0,2 l 0,5 Sauerstoff- Überschuss 1,0 l 2, C C C > 600 C > 700 C Hydrothermale Carbonisierung (HTC) Vapothermale Carbonisierung (VTC) Pyrolyse Vergasung Verbrennung Verfahren zur thermischen Klärschlammbehandlung 25

27 Alternatives Verfahren HTC Hydrothermale Carbonisierung (HTC) zur Herstellung kohleähnlicher Produkte. Voraussetzungen: gasdichter Reaktor, flüssiges H 2 O, ~200 C Keine vorherige Trocknung erforderlich! HTC Feststoff Rebling, 2015 Input- Schlamm Rebling, 2015 Rebling, 2015 Output- Schlamm Flüssigphase Rebling, Verfahren zur thermischen Klärschlammbehandlung 26

28 Alternatives Verfahren HTC Hydrothermale Carbonisierung (HTC) zur Herstellung kohleähnlicher Produkte. Voraussetzungen: gasdichter Reaktor, flüssiges H 2 O, ~200 C Keine vorherige Trocknung erforderlich! Rebling et al HTC Feststoff Rebling, 2015 Leichte Exothermie unterstützt den Prozess: Schilf ca J/g TM Klärschlamm ca J/g TM Input- Schlamm Output- Schlamm Flüssigphase Rebling, Verfahren zur thermischen Klärschlammbehandlung 27

29 Alternatives Verfahren HTC Dissertation Rebling, 2016 Aufschluss der zellulären Struktur (Hydrolyse) CambiTHP -> Desintegration HTC -> Carbonisierung Nach HTC stark verbesserte Entwässerbarkeit. Sowohl stoffliche (z. B. HMF, Biokunststoffe) als auch energetische Nutzung möglich. Chemischer Sauerstoffbedarf (CSB) in Flüssigphase sehr hoch; vor Einleitung in Kläranlage Aufbereitung notwendig! Hohe Gaserträge durch CSB-Abbau möglich! Weitere Informationen unter Verfahren zur thermischen Klärschlammbehandlung 28

30 Alternatives Verfahren HTC Avalon Industries AG (früher AVA-CO 2 ) TerraNova Energy Seit kommerzielle Anlage in China mit t/a in Betrieb Verfahren zur thermischen Klärschlammbehandlung 29

31 Alternatives Verfahren HTC Pilotanlage des Forschungsprojektes "HTC in Niedersachsen" Ostfalia Hochschule Wolfenbüttel Verfahren zur thermischen Klärschlammbehandlung 30

32 Übersicht thermochemischer Prozesse Thermische Verfahren zur Klärschlammbehandlung Anwesenheit flüssig H 2 O Anwesenheit gasförmig H 2 O Sauerstoff- Abschluss l = 0 Sauerstoff- Mangel 0,2 l 0,5 Sauerstoff- Überschuss 1,0 l 2, C C C > 600 C > 700 C Hydrothermale Carbonisierung (HTC) Vapothermale Carbonisierung (VTC) Pyrolyse Vergasung Verbrennung Verfahren zur thermischen Klärschlammbehandlung 31

33 Alternatives Verfahren Pyrolyse Pyrolyse ohne zusätzlichen Sauerstoff (l = 0) Zuführung von Wärme ist erforderlich! Gegensatz zur Verbrennung bzw. Vergasung Temperaturen C Spaltung organischer Verbindungen (interne) thermische Nutzung Klärschlamm > 50 % TM Pyrolyse l = 0, Produktgas CO, H 2, C n H m C Asche (inkl. P) als Dünger Verfahren zur thermischen Klärschlammbehandlung 32

34 Alternatives Verfahren Pyrolyse Beispiel PYREG: Referenz: Kläranlage Linz-Unkel EW Entwässerung und Trocknung auf über 85 % TM Nutzung des Synthesegases in Brennkammer FLOX-Brenner Einsatz eines FLOX Brenners auf der Deponie Dörpen ~650 C Produkt: P-haltige Kohle Leistungen von u&i: Planung Genehmigung Ausschreibung Bauleitung Verfahren zur thermischen Klärschlammbehandlung 33

35 Alternatives Verfahren Pyrolyse Beispiel EISENMANN: Pyrobustor: Input: 90 % TM getrocknet zweistufiger Prozess: Pyrolyse Verbrennung P-haltige Asche als Rückstand Referenz: ARA Pustertal, Italien seit 2006 Durchsatz ~550 kg/h C C Verfahren zur thermischen Klärschlammbehandlung 34

36 Optionen thermischer Klärschlammbehandlung Klärschlamm Schlammbehandlung z. B. Entwässerung, Trocknung Mitverbrennung Monoverbrennung alternative Verfahren Kohlekraftwerk Staubfeuerung Müllverbrennung Rostfeuerung Sonstige Anlagen z. B. Zementwerk Drehrohrofen z. B. Wirbelschichtfeuerung, Etagenofen, Zykloidfeuerung, Schmelzofen, Drehrohrofen HTC Pyrolyse Vergasung Verfahren zur thermischen Klärschlammbehandlung 35

37 Vergleich thermischer Verfahren Thermisch Stofflich Verbrennung Alternative Verfahren Mit- Mono- HTC Pyrolyse Landwirtschaft Zerstörung org. Schadstoffe Energetische Nutzung Stoffliche Nutzung P-Rückgewinnung Planungssicherheit Erfahrungen aus Betrieb Entsorgungskosten [ /t FS] a a ~15 c ~65 b 8-45 a Marktdaten: a UBA, 2013; ungeprüfte Herstellerangaben: b Eisenmann GmbH und PYREG; c TerraNova Energy Verfahren zur thermischen Klärschlammbehandlung 36

38 Vergleich thermischer Verfahren Thermisch Stofflich Verbrennung Alternative Verfahren Mit- Mono- HTC Pyrolyse Landwirtschaft Zerstörung org. Schadstoffe Energetische Nutzung Stoffliche Nutzung P-Rückgewinnung Planungssicherheit Erfahrungen aus Betrieb Entsorgungskosten [ /t FS] a a ~15 c ~65 b 8-45 a Marktdaten: a UBA, 2013; ungeprüfte Herstellerangaben: b Eisenmann GmbH und PYREG; c TerraNova Energy These: Alternative Verfahren besitzen das Potenzial, die Lücke in der Klärschlammentsorgung zu schließen! Verfahren zur thermischen Klärschlammbehandlung 37

39 Die Entwicklung alternativer Verfahren Verfahren zur thermischen Klärschlammbehandlung 38

40 Zusammenfassung und Ausblick Neubauten von Anlagen zur thermischen Klärschlammbehandlung sind notwendig, um Entsorgungssicherheit zu gewährleisten! Technisches "Know-How" ist vorhanden! Voraussetzung ist eine sorgfältige, standortabhängige Planung, um Kosten zu minimieren! Verfahren zur thermischen Klärschlammbehandlung 39

41 Verfahren zur thermischen Klärschlammbehandlung 40

42 umwelttechnik & ingenieure GmbH Ideen voller Energie! Idee Konzept Planung Bau Verfahren zur thermischen Klärschlammbehandlung 41