Water & Energy Elements of our Expertise Wirtschaftlicher Nutzen thermischer Klärschlamm- Verwertung mittels Klärschlammvergasung Dipl.-Ing. Hans-Joachim Werner Mersin, 19. Oktober 2016
KURZVORSTELLUNG Dipl-Ing. Hans-Joachim Werner Geschäftsführer von WE-Consult Ltd., Düsseldorf, Deutschland WE-Consult Ltd. unabhängiges Ingenieur- und Consultingbüro Wasser- und Abwassertechnik Gründungsmitglied von: Dort gemeinsam mit Herrn Haluk Dogu Leiter des Länderforums Türkei
GRUNDLAGEN: KLÄRSCHLAMM FÄLLT BEI DER ABWASSERREINIGUNG AN In der Türkei meist simultane, aerobe Stabilisierung (extended aeration) Rechengut Sand Fett Überschussschlamm (ÜS) 0,7%Trockensubstanz (TS) davon ca. 60% organisch (ots)
GRUNDLAGEN: ABWASSERREINIGUNG ALTERNATIV: In einigen Fällen keine simultane, aerobe Stabilisierung (activated sludge) Rechengut Sand Fett Primärschlamm (PS) 3,5%TS davon ca. 70% ots Überschussschlamm (ÜS) 0,7%TS davon ca. 70% ots
GRUNDLAGEN: KLÄRSCHLAMM MUSS IN SCHLAMMBEHANDLUNG WEITER BEHANDELT WERDEN Schlammbehandlung: alle Verfahren, welche die bei der Abwasserreinigung als Schlamm anfallenden Feststoffe (TS) weiter verarbeiten, mit dem Ziel, diese in einen für die weitere Verwertung und/oder Entsorgung geeigneten Zustand zu überführen. Im Wesentlichen: Schlammstabilisierung Abtrennung von Wasser zur Volumenreduzierung Schlammstabilisierung: Mineralisierung der organischen Substanz im Kläschlamm damit er chemischbiologische stabili ist. Stabil heißt in diesem Zusammenhang, dass biologische oder chemische Umsetzungsprozesse nur noch begrenzt oder sehr langsam ablaufen, damit eine Klärschlammverwertung erfolgen kann. Die Stabilisierung kann aerob oder anaerob erfolgen
GRUNDLAGEN: Einfaches Verfahren z.b. nach aerober Stabilisierung (extended aeration) In der Türkei meist einfache Entwässerung (manchmal Trocknung) und Entsorgung. Überschuss - schlamm (ÜS) 0,7%TR 60% otr 16-18%TR 60% otr ggf. CaO Zur Entsorgung Trübwasser zum Zulauf der Kläranlage
GRUNDLAGEN: Wenn keine aerobe Stabilisierung ist anaerobe Stabilisierung (Faulung) sinnvoll Primärschlamm (PS) TR=3-4% Überschussschlamm (ÜS) TR=0,7% Faulung Nacheindicker (ggf. auch maschinell) masch. Entwässerung TR=3,5% TR=5-6% TR=25-30% otr < 50% otr < 50% otr < 50% ggf. CaO TR=6% otr ca.70% TR=6% otr ca.70% Voreindicker masch. ÜS- Eindickung Gebäudeheizung Stro m Gasbehälter Gasfackel Heizung
KLÄRSCHLAMMVERWERTUNG: WELCHE WEGE ZUR KLÄRSCHLAMMVERWERTUNG STEHEN ZUR VERFÜGUNG? Landwirtschaftliche Verwertung Verwertung für Rekultivierungsmaßnahmen Deponierung Gemeinsame Deponierung auf Abfalldeponien Klärschlamm-Monodeponien Thermische Verwertung
KLÄRSCHLAMMVERWERTUNG: WARUM LANDWIRTSCHFT? Kreislaufwirtschaft ist wichtiger Faktor für Recourcenschutz
KLÄRSCHLAMMVERWERTUNG: WAS KOSTET DIE KLÄRSCHLAMMVERWERTUNG?
KLÄRSCHLAMMVERWERTUNG: Wahl des Verwertungsweges: Wenn immer die Randbedingungen es erlauben ist landwirtschaftliche Verwertung der sinnvollste Verwertungsweg! Häufig, insbesondere in Ballungsräumen, sind die Randbedingungen für landwirtschaftlich Verwertung jedoch nicht gegeben. Randbedingungen für die Wahl des Verwertungsweges: der Klärschlammzusammensetzung (Inhaltsstoffe, z.b Schwermetalle) den gesetzliche Rahmenbedingungen den Entsorgungs- bzw. Verwertungsmöglichkeiten den Entsorgungs- bzw. Verwertungskosten
KLÄRSCHLAMMVERWERTUNG: Erhöhte Anforderungen an die Klärschlammqualität: => zukünftig verstärkt thermische Verwertung Verfahren der thermischen Verwertung Monoverbrennung Co-Verbrennung o o Kohle- oder Braunkohlekraftwerke Zementindustrie Pyrolyse Klärschlammvergasung Nachteil: Thermische Verwertung ist teuer!!! Stimmt das?
KLÄRSCHLAMMVERGASUNG: Rohgas Beispiel: getrockneter Klärschlamm Trocken gut Silo Gaskühler Luftvorwärmung 850 880 C o Verfahren des GWP-Mitgliedes Kopf Syngas GmbH, Sulz a. Neckar, Deutschland 130 150 C o Wirbelschicht- Vergaser Rechengut Klärschlammgranulat Keramik filter Trockner Gas - Wäscher Granulat - Kühlung Granulat BHKW 35 C o 1 2 Synthesegas Strom Wärme für Klärschlammtrocknun g Kondensataufbereitung Brennkammer
KLÄRSCHLAMMVERGASUNG: Beispiel 1: Kläranlage Mannheim Ausbaugröße: 600.000 EW Trocknung: 2 Straßen für 10.000 Mg TS/a TS Gehalt ca. 90-95% Vergasungsleistung 1. BA für 50 %: 5.000 Mg TS/a, Elektr. Leistungsbedarf im Dauerbetrieb: 70-80 kw Kaltgaswirkungsgrad: >70%
KLÄRSCHLAMMVERGASUNG: Beispiel 2: Kläranlage Balingen Ausbaugröße: 124.000 EW Trocknung: für 2.000 Mg TS/a TS Gehalt ca. 85% Vergasungsleistung 100 %: 2.000 Mg TS/a, Elektr. Leistungsbedarf im Dauerbetrieb: 30-40 kw Kaltgaswirkungsgrad: >70%
KLÄRSCHLAMMVERGASUNG: WIRTSCHAFTLICHER NUTZEN : 1. INVESTITION ANFORDERUNGEN AN SCHLAMMQUALITÄT ABHÄNGIG VOM VERWERTUNGSWEG? Landwirtschaftliche Verwertung: => stabilisiert, flüssig oder entwässer Einsatz bei Rekultivierung: => stabilisiert, entwässert oder getrocknet Deponierung: => stabilisiert, entwässert oder getrocknet Thermische Verwertung: => entwässert und getrocknet => Unterschied Türkei - Deutschland Deutschland: Bei mittleren und großen Anlagen meistens Faulung vorhanden Türkei: Meist nur aerobe Stabilisierung, keine Faulung Verfahren der Schlammbehandlung auf Verwertungsmöglichkeiten abstimmen. => Trocknung und Vergasung erfordern keine Stabilisierung! => Reduzierung der Investitionskosten beim Neubau und Erweiuterungen!
KLÄRSCHLAMMVERGASUNG: WIRTSCHAFTLICHER NUTZEN : 2. ENERGIE Entwicklung des Rohölpreises von 1970-2016
KLÄRSCHLAMMVERGASUNG: WIRTSCHAFTLICHER NUTZEN: 2. ENERGIE 15,4 MJ/kgTS 13,2 MJ/kgTS 11 MJ/kgTS Heizwert von Klärschlamm in Abhängigkeit vom TS-Gehalt und ots-gehalt
KLÄRSCHLAMMVERGASUNG: WIRTSCHAFTLICHER NUTZEN: 2. ENERGIE ots-gehalt der Kläranlagen Bursa Doğu und Batı 2007 2010 (Quelle: BUSKI)
KLÄRSCHLAMMVERGASUNG: WIRTSCHAFTLICHER NUTZEN: 2. ENERGIE Energiegehalt im Synthesegas: Mannheim Bursa Doğu Schlammmenge getrocknet kg 1111 1111 TS-Gehlalt 90% 90% TS-Fracht kg TS 1000 1000 ots-gehalt 55% 70% Heizwert MJ/kg TS 12 15,4 1 J = 1 Ws kwh/kg TS 3,33 4,28 Energiegehalt im Schlamm kwh/mg TS 3333 4278 Prozesswärme (nicht nutzbar) 20% 20% Verlust kwh/mg TS 667 856 Abwärme (nutzbar) 10% 10% Abwärme Klärschlammvergasung kwh/mg TS 333 428 Kaltgaswirkungsgrad 70% 70% Energiegehalt im Synthesegas kwh/mg TS 2333 2994
KLÄRSCHLAMMVERGASUNG: WIRTSCHAFTLICHER NUTZEN: 2. ENERGIE Wärmebedarf für Trocknung: Mannheim Bursa Doğu TS-Gehlalt entw. Schlamm 25% 22% Schlammenge nach Entw. kg 4000 4545 Wasser verdampft kg H 2 O 2889 3434 spez. Energiebedarf für Verdampfung kwh/mg H 2 O 834 834 Energiebedarf Verdampfung kwh/mg TS 2409 2864 Wärmerückgewinnung (25-75%) 25% 25% Wärmerückgewinnung kwh/mg TS 602 716 ext. Wärmebedarf Trocknung kwh/mg TS 1807 2148 Nutzbare Abwärme kwh/mg TS 333 428 erf. Wärmeerzeugung für Trocknung kwh/mg TS 1474 1720
KLÄRSCHLAMMVERGASUNG: WIRTSCHAFTLICHER NUTZEN: 2. ENERGIE Wärmeerzeugung: Mannheim Bursa Doğu Erforderlich 1474 1720 BHKW Anteil Synthesegasnutzung 75% 90% verfügbarerer Energieanteil BHKW kwh/mg TS 1750 2695 BHKW Wirkungsgrad thermisch 55% 55% erzeugbare Wärmeenergie BHKW kwh th /Mg TS 963 1482 Gasbrenner Anteil Synthesegasnutzung 25% 10% verfügbarerer Energieanteil Brenner kwh/mg TS 583,3 299,4 Brenner Wirkungsgrad thermisch 90% 90% erzeugbare Wärmeenergie Brenner kwh th /Mg TS 525 270 Summe: kwh th /Mg TS 1488 1752 jählich Schlammproduktion MgTS/a 10.000 18.250 jährl. Elektrische Energieerzeugung MWh/a 14.875 31.969 Strompreis /kwh 0,050 0,050 Jährliche Ersparnis /a 743.750 1.598.472
KLÄRSCHLAMMVERGASUNG: WIRTSCHAFTLICHER NUTZEN: 2. ENERGIE Zusätzlicher Nutzen Stromerzeugung Mannheim Bursa Doğu Anteil Synthesegasnutzung 75% 90% verfügbarerer Energieantel BHKW kwh/mg TS 1.750 2.695 BHKW Wirkungsgrad elektrisch 35% 35% erzeugbare elektrische Energie BHKW kwh el /Mg TS 613 943 jählich Schlammproduktion MgTS/a 10.000 18.250 jährl. Elektrische Energieerzeugung MWh/a 6.125 17.214 Strompreis /kwh 0,18 0,075 Jährliche Ersparnis /a 1.102.500 1.291.073
annual amount of sludge [Mg/a] KLÄRSCHLAMMVERGASUNG: WIRTSCHAFTLICHER NUTZEN: 3. ENTSORGUNGSKOSTEN (Beispiel: Bursa Doğu) 140.000 130.000 120.000 110.000 100.000 73.000 Mg/a 90.000 80.000 70.000 60.000 50.000 40.000 54.750 Mg/a Water ods mineral. DS 30.000 11.863 Mg/a 20.000 10.000 0 14,0 20,0 22,0 25,0 45,0 90,0 100,0 100,0 DS-Content % 6.388 Mg/a
KLÄRSCHLAMMVERGASUNG: WIRTSCHAFTLICHER NUTZEN: 3. ENTSORGUNGSKOSTEN (Beispiel: Bursa Doğu) 73.000 Mg/a * 50 TL/Mg = 3.650.000 TL/a (entwässert heute) 54.750 Mg/a * 50 TL/Mg = 2.737.500 TL/a (Entwässerung optimiert) 11.863 Mg/a * 100 TL/Mg = 1.186.300 TL/a (getrocknet) 6.388 Mg/a * 100 TL/Mg = 638.800 TL/a (nach thermischer Verwertung) Einsparung gegenüber heute: ca. 3 Mio TL/a Einsparung bei optimierter Entwässerung: ca. 2,1 Mio TL/a Einsparung gegenüber nur Trocknung: ca. 550.000 TL/a
KLÄRSCHLAMMVERGASUNG: WIRTSCHAFTLICHER NUTZEN: 4. Nutzbarkeit des Granulates Entsorgung Granulat Einbauklasse Zuordungswert (Obergrenze der Einbauklasse) Z0 Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Analyse der Klärschlammschlacke Uneingeschränkter Eingeschränkter Eingeschränkter Einbau / Ablagerung in Deponien Einbau offener Einbau Einbau mit definierten techn. Sicher- Deponieklasse I (TA SieAbfall) Deponieklasse II (TA SieAbfall) Deponieklasse III (TA Abfall) ungsmaß- nahmen Das in Balingen anfallende Granulat wird in einem benachbarten Asphaltmischwerk verkauft! D.h. mit dem Granulat werden Erlöse erzielt.
KLÄRSCHLAMMVERGASUNG: WIRTSCHAFTLICHER NUTZEN: 4. Nutzbarkeit des Granulates Phosphorrückgewinnung Phosphoranteil im mineralischen Granulat: ca. 12-15%. Der im Granulat enthaltene Phosphor ist zu über 90% pflanzenverfügbar. Durch den reduzierenden Prozess der Vergasung ist der Phosphor verhältnismäßig einfach aus dem Granulat darstellbar
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