Neuplanung und Realisierung von Klärschlamm-Monoverbrennungsanlagen

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1 Neuplanung und Realisierung von Klärschlamm-Monoverbrennungsanlagen Dipl.-Ing. Jörn Franck Dr. Born - Dr. Ermel GmbH Ingenieure Achim jf@born-ermel.de

2 Inhalt Einführung Die dezentrale / zentrale KVA Rügen Das Großprojekt der TVM in Mainz Das Erweiterungskonzept ZVK Steinhäule / Neu-Ulm Zusammenfassung und Ausblick

3 Worum es geht Ca. 310 Mio m³/a Gülle Ca t TS /a Klärschlamm Ca. 200 Mio m³/a Gärreste > 500 Mio m³/a LNF: 16,7 Mio. ha 30 m³/a*ha = 3 l/a*m²

4 Worum es (auch) geht Phosphor-Recycling; Aussage des Koalitionsvertrages Deutschlands Zukunft gestalten für die 18. Legislaturperiode die Klärschlammausbringung zu Düngezwecken zu beenden und Phosphor und andere Nährstoffe zurück zu gewinnen (AbfKlärV) Hygieneaspekte; Medikamentenreste aus der kommunalen Abwasserbehandlung oder der Massentierhaltung können zu resistenten Bakterienstämmen führen, die über Umwelt und Nahrungsmittel in den menschlichen Organismus gelangen können Umweltaspekte; z.b. durch Überdüngung, Schwermetalle, persistente organische Verbindungen und andere Schadstoffe (z. B. Mikroplastik)

5 Klärschlamm in den Bundesländern Gesamtaufkommen aus der kommunalen Abwasserbehandlung 2013: ca. 1,9 Mio. Mg TS Gesamtaufkommen aus der nicht-öffentlichen Abwasserbehandlung 2010: ca. 1,7 Mio. Mg TS Derzeitige Entsorgung: Ca. 40 % stoffl. Verwertung in der Landwirtschaft Ca. 60 % therm. Verwertung in Verbrennungsanlagen Neu-Ulm Mainz Klärschlammverwertungswege in den Bundesländern Quelle: Statistisches Bundesamt: Abwasser und Klärschlamm in Deutschland statistische Betrachtungen, Korrespondenz Abwasser, Abfall 2014 (61) Nr. 12 Rügen

6 Status Quo der Thermischen Klärschlammbehandlung Möglichkeit thermische Klärschlammentsorgung Mitverbrennung in Kohlekraftwerken, Zementwerken oder Abfallverbrennungsanlagen Mono-Klärschlammverbrennungsanlagen Aspekte der Mitverbrennung Limitierung von Kontingenten aufgrund genehmigungsrechtlicher und /oder betrieblicher Vorgaben einzelner Standorte Kapazitätseinschränkungen durch Energiewende (Abkündigung von Kraftwerken) Wirtschaftliche Aspekte der Entsorgung (Transport, Aufbereitung, Qualitäten) Mono-Klärschlammverbrennungsanlagen Effektive Schadstoffsenke für den Klärschlamm Prioritärer Weg der Phosphorrückgewinnung aus der Verbrennungsasche Effiziente Nutzung des im Klärschlamm enthaltenen Energiepotentials Wirtschaftlich unabhängig von steigenden Entsorgungspreisen, somit hohe Entsorgungssicherheit

7 Verfahrensübersicht - Thermische Klärschlammbehandlung Monobehandlung Verbrennungsverfahren λ > 1 Wirbelschichttechnologie ca. 75 % Thermische Klärschlammbehandlung Vergasungsverfahren λ > 0 Erzeugung von qualitativ hochwertigem Produktgas durch Umwandlungsprozesse Pyrolyseverfahren λ = 0 Kohlekraftwerke Thermochemische Spaltung organischer Verbindungen ohne zusätzlichen Sauerstoff Staubfeuerung, zirkulierende Wirbelschicht Mitbehandlung Zementwerke Drehrohrofen Abfallbehandlung Rostfeuerung

8 Anlagenreferenzen in Deutschland Verfahren Referenzen Größenordnung Anbieter Stationäre Wirbelschicht ca. 20 realisierte Anlagen bis t TS /a Diverse Vergasung ca. 3 Anlagen: Balingen, Mannheim, Koblenz t TS /a z. B. Sülzle- Kopf Pyrolyse Modulare Konzepte mit wenigen Anwendungen im Klärschlammbereich 3 Anlagen: Versuchsanlage Dörth, Linz- Unkel, Homburg (im Bau), Emmerich (in Planung) Im Bereich von t TS /a z. B. Pyreg, Pyromax, Thermosyst ems

9 Wirbelschichtverfahren Klärschlamm-Monoverbrennung Standort Nom. TS Anzahl Trockner Kapazität Gehalt Öfen t TS /a % J/N (Art) Inbetriebnahme 1. Berlin-Ruhleben N Bitterfeld-Wolfen* J (S) 1997 Aktivitäten? Neubau Wassmannsdorf, Ertüchtigung Ruhleben angedacht Neuer Ofen für kommunalem Klärschlamm angedacht 3. Bonn ,5 2 N 1981 Unbekannt 4. Bottrop N 1991 Unbekannt 5. Düren J (S) 1975 Unbekannt 6. Elverlingsen-Werdohl N 2002 Stand-alone Konzept wegen KW Abschaltung in Umsetzung 7. Frankfurt am Main Intern 1981 Neubauplanung vergeben 8. Gendorf* J (S) 2006 Unbekannt 9. Hamburg J (S) 1997 Erweiterungsplanung angedacht 10. Herne N 1990 Unbekannt 11. Karlsruhe J (S) 1982 Linie 2 erneuert, Linie 1? 12. Lünen N 1997 Unbekannt 13. München J (S) 1997 Neubauplanung nach umfangreichen Machbarkeitsstudien angedacht 14. Stuttgart J (D) 2007 Ertüchtigung WSO 2, Planung vergeben 15. Neu-Ulm J (D) 1979 Neubauplanung 3 Linie, vergeben 16. Wuppertal J (D) 1977 Neubauplanung nach umfangreichen Machbarkeitsstudien angedacht Quelle: UBA (2012) *Verbrennen kommunalen und industriellen Klärschlamm

10 Inhalt Einführung Die dezentrale / zentrale KVA Rügen Das Großprojekt der TVM in Mainz Das Erweiterungskonzept ZVK Steinhäule / Neu-Ulm Zusammenfassung und Ausblick

11 Abwasserbehandlung in Mecklenburg-Vorpommern Gesamtaufkommen Klärschlamm aus der kommunalen Abwasserbehandlung 2013: ca Mg TR /a Davon in M-V landwirtschaftlich genutzt ca Mg TR /a Aus anderen Bundesländern ca Mg TR /a Aufbau einer zentralen KVA im Raum Rostock durch die Klärschlamm-Kooperation MVP GmbH Kommunale Abwasserbeseitigung in Mecklenburg Vorpommern, Lagebericht 2015 Quelle: Landesamt für Umwelt, Naturschutz und Geologie, Güstrow 7/2015

12 Klärschlammentsorgung ZWAR Rügen Schlammaufbereitung Entwässerung teilweise dezentral durch Zentrifugen TS-Gehalte zwischen 21% und 25% Mengenströme und Entsorgungswege Klärschlamm Co- Vergärung in Biogasanlage Landwirtschaftliche Verwertung des Gärrestes Entsorgungskosten (netto) Entwässerter KS 30 /tts Transport 14 /t (ca. 8 km) Rechengut thermische Verwertung Strandgut Kompostierung Gutachten / Studien Verwertungsarten /-technik Entsorgungsgebiete Nur Rügen (2001) Region Vorpommern und Rügen gemeinsam (2005) Nur Rügen (2006) Gespräche mit Betreibern Mora, Bruneck, Bad Vösslau, Gifhorn und Balingen Test in KVA Neu-Ulm (Algen) Insel-Lösung Autarke Lösung zur thermischen Verwertung des Klärschlamms für und auf der Insel Rügen

13 Standorte Kläranlagen Rügen ZKW Bergen

14 Anlagenkonzept Rügen Kombiniertes Schlammbehandlungsverfahren Schlammfaulung mit Gasspeicher Schlammentwässerung und -trocknung Thermische Schlammbehandlung in stationärer Wirbelschicht Abgasreinigung im quasi-trocken Verfahren Energienutzung Faulgasnutzung in BHKW-Motor Strom und Wärme für KA Standort Wärme aus Klärschlammverbrennung Trocknung des KS für autotherme Verbrennung Reststoffe Asche aus Verbrennung für mögliches späteres P-Recycling Reststoffe aus Abgasreinigung zur externen Entsorgung

15 Anlageneckdaten Parameter Einheit Wert Faulung Durchsatzleistung m³/d 120 Gasmenge m³/h 110 Energieerzeugung (BHKW) kw el. 330 Energieerzeugung (thermisch) kw th. 360 Verbrennung Brennstoffmenge (Klärschlamm, Rechengut, Strandgut) Mg TS /a Durchsatzleistung Ofen kg TS /h TR-Gehalt, Mischung Ofeneintritt % ca. 55 Feuerungswärmeleistung MW th 0,900 Luftvorwärmung C 245 Verbrennungsasche (nutzbar) t/a ca. 800 Rückstandsmenge (Deponie) t/a ca.500

16 Genehmigungsverfahren Genehmigung gemäß 4 BImSchG für Neuanlage Einstufung V nach Spalte , Anhang 1, 4. BImSchV, da Durchsatz < 3 t/h Vereinfachtes Verfahren ( 19) Einstufung A nach Nr Spalte 2; allgemeine Vorprüfung des Einzelfalles zur UVP nach UVPG Es gelten die Anforderungen der 17. BImSchV für die Abgasemissionen und den Betrieb

17 Aufstellungskonzept Monoverbrennung Faulung BHKW Gasspeicher

18 Anlagenkonzept Faulung Faulreaktor Gasspeicher Notfackel Co-Substrat Dick- Schlamm BHKW Roh- Schlamm Eindicker Entwässerung

19 Anlagenkonzept Verbrennung Gewebefilter Trockner Ofen E-Filter Kessel

20 Konzept Wirbelschichtofen TR-Gehalt vor Ofen Ca. 55 % Temperaturen Wirbelschicht <750 C Freibord >850 C Gestufte Verbrennung PL O2-Gehalt λ ~0,45 SL O2-Gehalt λ > 1,2 Reduzierung von NOx Verbessertes Teillastverhalten Brennstoffaufgabe Abgasaustritt Nachbrennkammer Sekundärluftzugabe Primärbrennkammer Anfahrbrennkammer, Primärluft-, Reziluftzugabe

21 Ausschreibungsverfahren Los Nr. Los / Titel Abfrage Angebote Preisspanne [Mio. gerundet, netto] 1 Bautechnik ,3 3,9 2 Maschinentechnik Faulung inkl. Entwässerung und Trocknung ,4 3,7 3 BHKW-Motorenanlage ,39 0,48 4 Klärschlammverbrennu ng inkl. Abgasreinigung ,3 7,2 5 EMSR-Technik 5 4 0,92 1,34

22 Kostenrahmen Leistungen Kosten [, netto] Bauleistungen Maschinentechnik Faulung Blockheizkraftwerk Verbrennungstechnik Elektro- und Leittechnik Standortinfrastruktur und Auftragsabwicklung Gesamtsumme

23 Projektrealisierung Baufeldfreimachung III/2015 Grundsteinlegung IBN Faulung IV/2016 IBN Gesamtanlage II-III/2017 Projektstand 10/2016

24 Inhalt Einführung Die dezentrale / zentrale KVA Rügen Das Großprojekt der TVM in Mainz Das Erweiterungskonzept ZVK Steinhäule / Neu-Ulm Zusammenfassung und Ausblick

25 Klärschlammentsorgung % 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% sonstige Verwertung Landbau Landwirtschaft Thermische Entsorgung

26 Bedarf an Mono-Verbrennungskapazität Rheinland Pfalz t TS /a Hessen t TS /a Saarland t TS /a Summe: t TS /a

27 Standortprüfung Mainz

28 Gründung der TVM

29 Wer liefert zur TVM GmbH

30 Anlagenkonzept - Schlammmengen Herkunft Klärschlamm ZKW Mainz Klärschlamm ZKW Kaiserslautern Konsistenz Trockensubstan z (%) Massenstrom trocken (Mg TS /a) Massenstrom feucht (Mg/a) entwässert entwässert Fremdschlamm Granulat AVUS entwässert Fremdschlamm entwässert Durchsatz, gesamt

31 Anlagenkonzept - Aufstellungsort Anlagenstandort

32 Anlagenkonzept TVM Mainz Energieerzeugung Turbine Annahme, Lagerung und Aufbereitung Luft-Kondensator Warme Abluft Brüden zum ZKW Schlamm ZKW Schlamm KL Fremd- Schlamm, entwässert Schlamm- Annahmehalle Entwässerung Schlammbunker Stapelbereich Schlamm Trocknung Wirbelsand Harnstoff Abhitzekessel Economiser Überhitzer Verdampfer Sorbenssilo Elektro- Filter Wasser Quenche Gewebefilter Kamin Abluft Wirbelschichtofen Luftkammer Fremd- Schlamm, getrocknet Trockengutsilo Aschesilo Aschesilo Reststoffsilo Thermische Behandlung Stromerzeugung LKW- Abfuhr LKW- Abfuhr

33 Anlagenkonzept Schlammannahme / Lagerung

34 Anlagenkonzept Wirbelschichtofen / Kessel Zwei-stufiger Ofen Primärluft: 0,5 fache Menge der minimalen Verbrennungsluft Sekundärluft: 1,2 fache Menge der minimalen Verbrennungsluft Rezi-Luft: Erzeugung Wirbelbett Keine SNCR-Anlage (Verbrennungstemp. < C, NOx) Vorteil: Vergleichsweise niedriger Strombedarf (Gebläsetechnik) geringere NOx-Bildung (< 50 mg/m 3 N,tr) Hochdruck-Dampf-Kessel 65 bar/450 C für Turbine und 3,5 bar/190 C für Trocknung Nachbrennkammer Wirbelbett

35 Anlagenkonzept Abgasreinigung Allgemein: Abscheidung Schadstoffe, Schwermetalle, Dioxine, Furane aus Abgas Stand der Technik: Quelle: Abgasreinigung für Mono-Klärschlammverbrennungsanlagen, M. Gutjahr, K. Niemann

36 Abgasreinigungsverfahren Trockenes Verfahren

37 Anlagenkonzept Emissionsgrenzwerte Parameter Einheit Beantragte Tagesmittelwerte 17. BImSchV Tagesmittelwerte Gesamtstaub mg/m 3 N,tr 5 10 Kohlenmonoxid mg/m 3 N,tr Schwefeldioxid mg/m 3 N,tr Stickstoffmonoxid mg/m 3 N,tr Quecksilber mg/m 3 N,tr 0,02 0,03 Ammoniak mg/m 3 N,tr Cadmium u. Thallium mg/m 3 N,tr 0,05 0,05 Arsen mg/m 3 N,tr 0,05 0,05 Dioxine u. Furane ng/m 3 N,tr 0,05 0,10

38 Sachstand Genehmigung 14/07 - Erhalt der BImSchG-Genehmigung von SGD 14/09 - Eingang Widersprüche / Widerspruchsbearbeitung 15/03 - Klage beim Verwaltungsgericht Mainz 15/05 - Bekanntgabe der Alternativprüfung 15/07 - Erneuter Stadtratsbeschluss 15/08 - Anordnung Sofortvollzug durch SGD 16/01 - Beschluss OVG Sofortvollzug 16/06 - Beschluss VG Klage abgewiesen

39 Ausschreibungsverfahren Los Nr. Los / Titel Qualifiziert / Aufgefordert Angebote Status 1 Schlammentwässerung - - Ausschreibung 1. Hj Brückenkrananlage 4 2 Auswertung, Vergabe IV/16 3 Klärschlammtrocknung 3 3 Auswertung, Vergabe IV/16 4 Feuerung / Kessel 5 4 Auswertung, Vergabe IV/16 5 Abgasreinigung 5 3 Auswertung, Vergabe IV/16 6 Turbogenerator 5 4 Auswertung, Vergabe IV/16 7 Bautechnik - - Ausschreibung 1. Hj E/MSR Technik - - Ausschreibung 1. Hj Technische Gebäudeausrüstung - - Ausschreibung 1. Hj 2017

40 Sachstand Realisierung 16/02 - Ausführungsplanung 16/05 - EU-Teilnahmewettbewerb Maschinentechnik (MT) 16/07 - Ausschreibung der MT (5 Lose) 16/10 - Auswertung der MT (5 Lose) 16/12 - Vergabe MT (5 Lose) 17/01 - Werk- und Montageplanung MT 17/04 - Ausschreibung Bau und E-Technik 17/08 - Vergabe Bau und E-Technik 17/09 - Baubeginn Bau 18/04 - Montagebeginn MT 18/12 - Kalt-Inbetriebnahme 19/03 - geplante Warm-Inbetriebnahme

41 Inhalt Einführung Die dezentrale / zentrale KVA Rügen Das Großprojekt der TVM in Mainz Das Erweiterungskonzept ZVK Steinhäule / Neu-Ulm Zusammenfassung und Ausblick

42 Der Zweckverbrand Klärwerk Steinhäule Gegründet Verbandsmitglieder Einzugsgebiet von rd Einwohnern Reinigung von bis m³/tag Abwasser in der zentralen Kläranlage Steinhäule Fläche der Kläranlage rund 25 Hektar, 4 Reinigungsstufen Thermische Entsorgung des Klärschlamms auf der Kläranlage

43 Die Kläranlage Steinhäule

44 Bestandsanlage Thermische Klärschlammbehandlung 2 Linien, IBN 1979 Einsatz von Nicht-gefaultem Klärschlamm, t OS /a, t TS /a mit ca. 25 % TS, Zentrifugen und Dünnschichttrockner Ofenkapazität 2x 2,5 t TS /h Dampfparameter 40 bar / 400 C Abgasreinigung E-Filter 2-Stufige Nasswäsche Flugstromadsorber m. Gewebefilter

45 Anlass für Neukonzeption KVA Ulm Die beiden bestehenden Linien verfügen jeweils über eine Durchsatzleistung von 2,5 t TS /h. Der Klärschlammanfall beläuft sich derzeit im Mittel auf 2,7 t TS /h, weshalb eine Bestandslinie nicht ausreichend ist, um den gesamten Schlamm zu verbrennen. Die Anlage ist insgesamt mit einem Alter von rd. 40 Jahren sanierungsbedürftig bzw. abgängig Mit der Neu-Anlage soll ein zukunftsfähiges umwelt- und energieoptimiertes Konzept der thermischen Klärschlammbehandlung umgesetzt werden

46 Alternativenprüfung 1. Neue Mono-Verbrennung mit Schlammannahme Fremdschlammannahme Eigenschlammentwässerung Trocknung Verbrennung mit Energieverwertung und Rauchgasreinigung 2. Faulung der eigenen Schlämme mit externer Entsorgung Schlammfaulung inkl. Gasverwertung Entwässerung Prozesswasserreinigung (Zentratentstickung) Phosphorrückgewinnung 3. Faulung eigener Schlämme mit Mono-Verbrennung und Schlammannahme: Schlammfaulung inkl. Gasverwertung (BHKW) Schlammentwässerung Prozesswasserreinigung (Zentratentstickung) Klärschlammverbrennung

47 Rahmenterminplan Ausschreibung der Planungsleistung Anfang 2015 Vergabe der Planungsleistung Anfang 2016 Abschluss der Vorplanung Ende 2016 Abschluss der Entwurfsplanung Mitte 2017 Abschluss Genehmigungs- und Ausführungsplanung Mitte 2018 Genehmigungsverfahren Ende 18 Anfang 19 Baubeginn Anfang 2019 Inbetriebnahme / Übernahme Ende 2021

48 Inhalt Einführung Die dezentrale / zentrale KVA Rügen Das Großprojekt der TVM in Mainz Das Erweiterungskonzept ZVK Steinhäule / Neu-Ulm Zusammenfassung und Ausblick

49 Zusammenfassung und Ausblick Eine Beendigung der landwirtschaftlichen Klärschlammverwertung erfordert neue thermische Behandlungskapazitäten. Erwarteter Kapazitätsbedarf ca tts/a. Stationäre Wirbelschicht war und ist das dominierende großtechnische Verfahren für die thermische Mono- Klärschlammverbrennung. Verbrennung ist die priorisierte Vorbehandlung für ein effektives P- Recycling. Derzeit befinden sich die 3 Anlagen Rügen, Mainz und Ulm nach dem Prinzip der stationären Wirbelschicht in der Planungs- bzw. Realisierungsphase.

50 Potentielle Anlagenstandorte Monoverbrennung Bundesland Anzahl Anlagen BW 2 B 1 BB 0 HB-NDS 2 HH-SH 1 H 1 MV 1 NRW 1 RP 1 SL 1 SA 1 SAA 2 T 1 Summe 15 Ø 43 TMgTR/a Bestehende und mögliche Standorte für Mono- Klärschlammverbrennungskapazitäten in Deutschland Quelle: Malms, et al. Ebd, Aachen, 2014 Ulm

51 Zusammenfassung und Ausblick Die Entsorgungskosten für die Klärschlammbehandlung zeigen eine steigende Tendenz aufgrund sicher verändernder Rahmenbedingungen wie Vermehrte Mengen an Wirtschaftsdüngern (Klärschlamm, Gülle, Gärrest) treffen auf Einschränkungen bei der Flächenverfügbarkeit in der Landwirtschaft Reduzierung der Kapazitäten in der Mitverbrennung bei Kraftwerden und Abfallverbrennungsanlagen Die bevorstehende Novelle der AbfKlärV Erste Erfahrungen bei der Realisierung von neuen Klärschlamm- Monoverbrennungsanlagen bestätigen den erwarteten Kostenrahmen.

52 Investitionskosten Rügen Ulm Mainz?? Gesamtanlage Verbrennung Verwertungskonzept der Klärschlammkooperation MV GmbH Quelle: 16. Dialog Abfallwirtschaft MV, Rostock 4/2014

53 David trifft Goliath Weltgrößte Anlage Hong Kong Entwässerter Klärschlamm 4x Mg TS /a Klein(st)e kommunale Anlage Entwässerter und getrockneter Klärschlamm 1x Mg TS /a