Klärschlamm Monoverbrennung Ab welcher Größe ist das realistisch?

ÖWAV-Klärschlammseminar 2014 Klärschlammwende? Klärschlamm Monoverbrennung Ab welcher Größe ist das realistisch? Dr.-Ing. Gerrit Ermel ÖWAV-Klärschlammseminar 2014 20. und 21. November 2014 Wels 1 / 42

Gliederung 1. Einleitung 2. Ausgangslage 3. Verfahren 4. Varianten 5. Kosten 6. Fazit ÖWAV-Klärschlammseminar 2014 20. und 21. November 2014 Wels 2 / 42

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 2014 20. und 21. November 2014 Wels 3 / 42

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 2014 20. und 21. November 2014 Wels 4 / 42

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 2014 20. und 21. November 2014 Wels 5 / 42

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 49/2014 - Monitoring von Klärschlammaschen, 2014 ÖWAV-Klärschlammseminar 2014 20. und 21. November 2014 Wels 6 / 42

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 2014 20. und 21. November 2014 Wels 7 / 42

Anlagengrößen der thermischen (Mono) KS-Verwertung in Deutschland Anzahl 12 10 8 6 4 2 0 1 WS 1 RF 1 VG 1 ZB 9 WS 1 PB < 5.000 ttr/a 5.001 ttr/a - 25.000 ttr/a 1 PB Pyrobuster 2 RF Rostfeuerung 21 WS Wirbelschicht 1 ZB Zykloidbrennk. 1 VG - Vergasung 4 WS 25.001 ttr/a - 50.000 ttr/a Kommunale Anlagen 1 RF 2 WS 50.001 ttr/a - 75.000 ttr/a 5 WS >75.000 ttr/a Wirbelschichtanlagen: ca. 75 % Größte Anlage: ca. 95.000 ttr/a Kleinste Anlage: ca. 2.000 ttr/a Ø Anlagengröße: 35.000 ttr/a ÖWAV-Klärschlammseminar 2014 20. und 21. November 2014 Wels 8 / 42

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 2014 20. und 21. November 2014 Wels 9 / 42

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 2014 20. und 21. November 2014 Wels 10 / 42

Referenzanlage Vergasung Fa. Kopf Anlage Balingen (seit 2002 in Betrieb) Durchsatz 1.200 ttr/a, seit 2010 2.400 ttr/a (300 kg TR /h) FWL von ca. 1 MW Anlage Mannheim (seit 2010) Durchsatz 5.000 ttr/a (625 kgtr/h) FWL von ca. 2,1 MW Quelle: Bauerfeld et al. (2013) ÖWAV-Klärschlammseminar 2014 20. und 21. November 2014 Wels 11 / 42

Vergasung (MEPHREC-Verfahren nach Ingitec GmbH) Nutzung des Energiepotentials von KS mit Rückgewinnung von Phosphor Brikettierung und Trocknung des KS Schmelzvergasung bei 2.000 C Mineralische und metallische Fraktion Quelle: BMBF ÖWAV-Klärschlammseminar 2014 20. und 21. November 2014 Wels 12 / 42

Referenzanlage MEPHREC / Plasmaverfahren MEPHREC Versuchsanlage Nürnberg Inbetriebnahme Ende 2015 20 % Kapazität einer Großanlage Plasmaverfahren Abfallanlage Morcenx / Frankreich Inbetriebnahme Juni 2014 FWL 12 MW 56.000 t/a Industrieabfall und Holzschnitzel ÖWAV-Klärschlammseminar 2014 20. und 21. November 2014 Wels 13 / 42

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 (> 1.000 C), Plasma ÖWAV-Klärschlammseminar 2014 20. und 21. November 2014 Wels 14 / 42

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 2014 20. und 21. November 2014 Wels 15 / 42

Referenzanlage Pyrolyse Fa. PYREG Modularer Aufbau (Standard) Bis zu 240 kg TR /h (ca. 1.300 t TR /a) FWL 500 kw Anlage Linz-Unkel (in Realisierung) ÖWAV-Klärschlammseminar 2014 20. und 21. November 2014 Wels 16 / 42

Referenzanlage Rostfeuerung Fa. Huber SE, Sludge2energy-Verfahren Anlage Straubing, seit 2012 in Betrieb Durchsatz 2.500 t TR /a (ca. 330 kg TR /h) 1 Verfahrenslinie FWL ca. 1,15 MW Quelle: Huber SE ÖWAV-Klärschlammseminar 2014 20. und 21. November 2014 Wels 17 / 42

Wirbelschichtverfahren (allgemein) Wirbelschicht sorgt für guten Impuls- und Wärmeaustausch Brennstoffstückgröße limitiert Keine beweglichen Teile vorhanden ÖWAV-Klärschlammseminar 2014 20. und 21. November 2014 Wels 18 / 42

Wirbelschichtverfahren (allgemein) Heizwert Klärschlamm >4.000 kj/kg zur autothermen Verbrennung (Entwässerung / Trocknung) Temperaturen in der Wirbelschicht 850 950 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 2014 20. und 21. November 2014 Wels 19 / 42

Referenzanlagen Wirbelschicht Standort Verbrennungstechnik Kapazität Inbetriebnahme Betriebsstunden 2009 1. Berlin-Ruhleben stat. Wirbelschicht 84.100 1985 8.760 2. Bitterfeld-Wolfen* stat. Wirbelschicht 15.200 1997 7.738 3. Bonn stat. Wirbelschicht 8.000 1981 6.854 4. Bottrop stat. Wirbelschicht 44.000 1991 7.800 5. Düren stat. Wirbelschicht 14.000 1975 8.400 6. Elverlingsen-Werdohl stat. Wirbelschicht 61.320 2002 7.313 7. Frankfurt am Main Etagenwirbler 52.560 1981 6.851 ttr/a 8. Gendorf* Wirbelschicht 10.000 2006 k.a. 9. Hamburg stat. Wirbelschicht 78.840 1997 7.821 10. Herne stat. Wirbelschicht 22.200 1990 k.a. 11. Karlsruhe stat. Wirbelschicht 20.000 1982 6.500 12. Lünen Wirbelschicht 95.000 1997 7.850 13. München stat. Wirbelschicht 22.000 1997 8.430 14. Stuttgart stat. Wirbelschicht 32.000 2007 4.809 15. Neu-Ulm stat. Wirbelschicht 16.000 1979 k.a. 16. Wuppertal stat. Wirbelschicht 32.000 1977 8.586 *Verbrennen kommunalen und industriellen Klärschlamm h/a Quelle: UBA (2012) ÖWAV-Klärschlammseminar 2014 20. und 21. November 2014 Wels 20 / 42

Wirbelschicht - Bauformen Stationär Zirkulierend ÖWAV-Klärschlammseminar 2014 20. und 21. November 2014 Wels 21 / 42

Skalierungsaspekte von Wirbelschichten Strömungsmechanik und Verbrennungsverhalten konkurrieren! ÖWAV-Klärschlammseminar 2014 20. und 21. November 2014 Wels 22 / 42

Skalierung von Wirbelschichten Quelle: AE&E, STF Hong Kong, 30 MWth Quelle: Raschka Engineering, 1 MWth ÖWAV-Klärschlammseminar 2014 20. und 21. November 2014 Wels 23 / 42

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 2014 20. und 21. November 2014 Wels 24 / 42

Kleiner Wirbelschichtofen ÖWAV-Klärschlammseminar 2014 20. und 21. November 2014 Wels 25 / 42

Kleine Wirbelschichtanlage, Isometrie ÖWAV-Klärschlammseminar 2014 20. und 21. November 2014 Wels 26 / 42

CFD-Simulation Wirbelschichtofen ÖWAV-Klärschlammseminar 2014 20. und 21. November 2014 Wels 27 / 42

CFD-Simulation Wirbelschichtofen ÖWAV-Klärschlammseminar 2014 20. und 21. November 2014 Wels 28 / 42

CFD-Simulation Wirbelschichtofen ÖWAV-Klärschlammseminar 2014 20. und 21. November 2014 Wels 29 / 42

4.Vergleiche Vergleich von thermischen Klärschlammverwertungsanlagen Parameter EW Leistung *) Ausführung Variante 1 1.200.000 35.000 ttr/a Komm./Kostenopt. Variante 2 70.000 2.000 ttr/a Kommunal Variante 3 70.000 2.000 ttr/a Kostenoptimiert *) Faulschlammverbrennung Zum Vergleich: Hong Kong 6.200.000 180.000 ttr/a aufwendige Architektur Lünen 95.000 ttr/a größte Anlage in Deutschland ÖWAV-Klärschlammseminar 2014 20. und 21. November 2014 Wels 30 / 42

Variante 1 Fließschema ÖWAV-Klärschlammseminar 2014 20. und 21. November 2014 Wels 31 / 42

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 2014 20. und 21. November 2014 Wels 32 / 42

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 2014 20. und 21. November 2014 Wels 33 / 42

Variante 2 & 3 Fließschema ÖWAV-Klärschlammseminar 2014 20. und 21. November 2014 Wels 34 / 42

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 2014 20. und 21. November 2014 Wels 35 / 42

Stoffströme Parameter Einheit Wert Wert Durchsatz gesamt t TR /a 35.000 2.000 Stündlicher Durchsatz t TR /h 4,40 0,250 TR-Gehalt, Mischung Ofeneintritt % 45 60 Feuerungswärmeleistung MW th 11 0,950 Luftvorwärmung C 120 200 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 115 12 HOK Bedarf kg/h 5 0,2 Reststoffe zur Entsorgung t/a 1.800 480 Asche zur Verwertung t/a 15.500 930 ÖWAV-Klärschlammseminar 2014 20. und 21. November 2014 Wels 36 / 42

Variante 1 & 2/3 Beispielhafte Bauweisen ÖWAV-Klärschlammseminar 2014 20. und 21. November 2014 Wels 37 / 42

5. Kosten Investitionskosten (ohne Entwässerung, ohne Mehrwertsteuer) Kosten in (netto) Variante 1 Variante 2 Variante 3 Jahresmenge 35.000 ttr/a 2.000 ttr/a 2.000 ttr/a Verfahrenstechnik 24.150.000,- 3.890.000,- 3.590.000,- Bautechnik 5.150.000,- 2.370.000,- 880.000,- E-, MSR-Technik 2.250.000,- 1.130.000,- 1.130.000,- Nettoherstellkosten 31.800.000,- 7.390.000,- 5.600.000,- Nebenkosten 3.200.000,- 2.710.000,- 1.000.000,- Nettoinvestitionen 35.000.000,- 10.100.000,- 6.600.000,- ÖWAV-Klärschlammseminar 2014 20. und 21. November 2014 Wels 38 / 42

Spezifische Kosten (ohne Entwässerung, ohne Mehrwertsteuer) Parameter Variante 1 Variante 2 Variante 3 Jahresmenge 35.000 ttr/a 2.000 ttr/a 2.000 ttr/a Investitionskosten 35.000.000 10.100.000 6.600.000 Jahreskosten 5.490.000 /a 1.280.000 /a 1.020.000 /a Spezifische Kosten 157 /t TR 640 /t TR 510 /t TR Kosten in (netto) Aktuelle spezifische Kosten Monoverbrennung nach UBA: 180 400 /t TR ÖWAV-Klärschlammseminar 2014 20. und 21. November 2014 Wels 39 / 42

6. Fazit Kleinere und mittlere Klärschlammverbrennungen sind technisch realisierbar. Die kleine Anlage benötigt mindestens 2.000 ttr/a oder 70.000 EGW, wegen der spezifischen Kosten besser 4.000 ttr/a oder 140.000 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 2014 20. und 21. November 2014 Wels 40 / 42

David gegen Goliath? Weltgrößte Anlage Hong Kong Entwässerter Klärschlamm 4x 45.000 ttr/a Klein(st)e kommunale Anlage Entwässerter u. getrockneter Klärschlamm 1x 2.000 ttr/a ÖWAV-Klärschlammseminar 2014 20. und 21. November 2014 Wels 41 / 42

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