Special Concepts of Sewage Sludge Incineration and their Effects on the Entire Process

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Abstract

210

Verbrennung

Special Concepts of Sewage Sludge Incineration and their Effects on the Entire Process

Jan Frederik Horstmeier and Josef Langen

Caused by the adjustment of legal requirements for municipal sewage sludge disposal, the agriculture utilisation is much more restricted. Furthermore, wastewater treatment plants with more than 50,000 population equivalents (PE) will have the obligation to recycle the containing phosphorous from sewage sludge as of 2031 and plants with more than 100,000 PE as of 2029. To meet these challenges a sewage sludge incineration is the technology of choice. The process development depends decisively on the boundary conditions given at the site location regarding possible synergy effects to neighbouring waste to energy and/or wastewater treatment plants and as well on the sewage sludge composition, etc.

These boundary conditions define if a pre-drying step for autothermal incineration is necessary. The utilisation of external heat from a neighbouring waste to energy plant for a direct heated rotary kiln incineration, for example, makes pre-drying redundant, because the rotary kiln includes this step. In contrast, a drying step before incineration, usually in fluidised bed reactor, at an independent location is obligatory for autothermal operation.

The handling of the resulting exhaust vapours depends on the boundary conditions as well, because for discharging the condensed vapours the infrastructure to a wastewater treatment plant should be present. Furthermore, a pre-treatment could be necessary caused by high pollutant contents. Alternatively, if the required infrastructure for con- densation, treatment and disposal of the exhaust vapours is not given, their utilisation in the fluidized bed reactor is possible and leads to a process without any resulting wastewater.

Therefore, different conditions need a great variability of the available technology.

The current article gives an overview about different working systems technology as a function of the local conditions.

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211 Besondere Konzepte bei der thermischen Klärschlammverwertung

Verbrennung

Besondere Konzepte

bei der thermischen Klärschlammverwertung und die Auswirkungen auf den Gesamtprozess

Jan Frederik Horstmeier und Josef Langen

1. Ausgangsstoffe ...212

1.1. Klärschlamm ...212

1.2. Brüden ...212

2. Verfahrensvarianten...213

2.1. Drehrohrtechnologie ...213

2.2. Wirbelschichttechnologie ...215

2.2.1. Brüdenkondensation, -behandlung und -entsorgung...219

2.2.2. Brüdenverwertung ...221

3. Zusammenfassung ...223

4. Literatur ...223 Aufgrund gesetzlicher Anpassungen bei der Klärschlammentsorgung, wie eine mas- sive Einschränkung der landwirtschaftlichen Verwertung (Düngeverordnung) und die Verpflichtung größerer Kommunen zum Phosphorrecycling aus Klärschlamm, ist eine zukünftig ausschließlich thermische Verwertung des Stoffstromes zielführend.

Die Verfahrensauswahl zur thermischen Behandlung von Klärschlämmen in Mono- klärschlammverbrennungsanlagen (MKSVA) ist maßgeblich von den Rahmenbedin- gungen am Standort der geplanten Anlage, wie möglichen Synergien, zu erwartender Klärschlammzusammensetzung etc., abhängig.

Dies hat auch Auswirkungen auf eine notwendige Vorbehandlung des angelieferten, mechanisch entwässerten Klärschlammes, z.B. in Form einer separaten Trocknung zur Sicherstellung der thermisch autarken Entsorgung des Klärschlammes. Alternativ dazu können Synergien durch verfügbare Energiequellen am Standort genutzt werden, um die Trocknungsenergie bereit zu stellen. Es schließt sich allerdings die Frage nach dem Umgang mit den bei der Trocknung ausgetriebenen Brüden an, der ebenfalls durch die am Standort gegebenen Rahmenbedingungen definiert ist.

Damit ergeben sich unter Umständen komplexe Aufgabenstellungen für den Anlagen- bau. Die folgenden Ausführungen sollen einen Überblick über unterschiedliche, stand- ortabhängige Konzepte und Lösungen sowie die daraus resultierende Anlagentechnik geben.

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Jan Frederik Horstmeier, Josef Langen

212

Verbrennung

1. Ausgangsstoffe 1.1. Klärschlamm

Bei der Abwasserbehandlung auf kommunalen Kläranlagen bleiben abgeschiedene Feststoffe als Klärschlamm zurück. Der Klärschlamm wird während der Faulung zur Gewinnung von Faulgas genutzt, stabilisiert und anschließend üblicherweise mit Hilfe von Zentrifugen oder Filterpressen bis zu einem Trockensubstanz(TS)-Gehalt von etwa 21 bis 30 % mechanisch entwässert. Tabelle 1 gibt typische Wertebereiche bei der Charakterisierung eines solchen Klärschlammes wieder.

Vor dem Hintergrund der bekannten gesetzlichen Anpassungen zur Klärschlamm- entsorgung in Verbindung mit einem angestrebten Phosphorrecycling aus diesem Stoff- strom, ist die thermische Monoverwertung des Materials zielführend. Mit Heizwerten der Originalsubstanz von 0,7 bis 1,8 MJ/kg (roh) ist jedoch keine autarke Verbrennung möglich, sodass Fremdenergie zugeführt bzw. eine vorherige interne thermische Ent- wässerung notwendig wird. Hierbei ist eine Trocknung in die sogenannte Leimphase (45 bis 70 % TS) zu vermeiden, die ein Handling des Materials massiv erschwert bzw.

sogar unmöglich macht.

Parameter Einheit Wertebereich

Wassergehalt Gew.-% (roh) 70 – 79

Glühverlust (Organikanteil) Gew.-% (wf) 50 – 70

Aschegehalt Gew.-% (wf) 30 – 50

Heizwert der organischen

Trockensubstanz MJ kg^-1 (waf) 19,5 – 22,5 Heizwert der Trockensubstanz MJ kg^-1 (wf) 10,5 – 14,0 Zusammensetzung

Komponente

C Gew.-% (waf) 50 – 57

O Gew.-% (waf) 26 – 32

H Gew.-% (waf) 7 – 8

N Gew.-% (waf) 8 – 9

S Gew.-% (waf) 0,9 – 2,5

Cl Gew.-% (waf) 0,09 – 0,26

Hg mg kg^-1 (roh) 0,3 – 2,5

Tabelle 1:

Auszug aus typischen Analyse- daten ausgefaulter, mechanisch entwässerter Kommunalklär- schlämme

1.2. Brüden

Wie bereits einleitend erwähnt, werden bei der Trocknung von Klärschlamm Brüden ausgetrieben. Der Behandlung, Verwertung und/oder Entsorgung dieses Stoffstromes kommt abhängig vom Standortkonzept eine hohe Bedeutung zu, da abhängig von der Klärschlammzusammensetzung und Trocknungsart (Druck, Temperatur) teilweise enorme Schadstoffbelastungen auftreten können [4]. Tabelle 2 zeigt in diesem Zu- sammenhang den Vergleich zwischen üblichen Schadstoffbelastungen kommunaler Abwässer zu Maximalbelastungen von Brüdenkondensaten.

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Verbrennung

Der hohe CSB-Wert ist vor allem auf eine hohe Staubfracht der ausgetriebenen Brüden zurückzuführen, die im Teillastbetrieb bzw. während Anfahr- und Abfahrvorgängen enorm sein kann. Beachtenswert sind darüber hinaus die ggf. hohen Gehalte an Stick- stoff in Form von Ammonium.

2. Verfahrensvarianten

Wie oben bereits beschrieben, ist die Auswahl des Verfahrenskonzeptes abhängig von den Rahmenbedingungen inkl. möglicher Synergieeffekte des gewählten Standortes [5]. Im Folgenden werden technische Lösungen für unterschiedliche Anforderungen vor allem im Hinblick auf einen Umgang mit den trocknungsbedingten Brüden vor- gestellt und diskutiert.

2.1. Drehrohrtechnologie

Ein Ansatz zur vorteilhaften thermischen Behandlung des Klärschlammes ist die Anbindung an bestehende Abfallverbrennungsanlage (MVA) mit Hilfe der Drehrohr- technologie gemäß Bild 1.

Konzentration

Parameter kommunales Abwasser Brüdenkondensat mg l^-1

CSB 200 – 1.500 bis 10.000

BSB5 100 – 700 bis 3.000

Nges 20 – 120 bis 2.500 NH_4-N

Pges 2 – 15 bis 30

Tabelle 2:

Vergleich der Belastung kommunaler Abwässer und Brüden- kondensaten, aus [4]

Bild 1: Schematische Darstellung der Drehrohranbindung an einen Bestandsmüllkessel

Annahme entwässerter KS

Drehrohr

Rauchgas- reinigung

entwässerter Klärschlamm

Heißgas 850 – 1.000 °C Prozessgas

350 – 450 °C

Produktasche

(5)

214

Verbrennung

Die Drehrohranlage wird durch Heißgas aus dem oberen Teil des Abfallkessels mit einer Temperatur von 850 bis 1.000 °C direkt beheizt. Der Heißgaskanal ist feuerfest ausgekleidet sowie isoliert, um eine Manteltemperatur von > 200 °C zu gewährleisten und damit Korrosionserscheinungen zu minimieren. Der große Vorteil dieser Anord- nung ist die Integration des Trocknungsvorganges in den Verbrennungsprozess des nassen Schlammes, der über eine Aufgabeschnecke in das Drehrohr gefördert wird.

Das Drehrohr wird im Gegenstrom betrieben, sodass der nasse Klärschlamm zunächst durch abströmendes Prozessgas effizient teilgetrocknet wird. Durch eine sehr gute Durchmischung wird die Energie des später folgenden Verbrennungsprozesses genutzt, um die Brüden in dieser Zone des Drehrohres effizient auszutreiben.

Die Trocknungszone ist ohne feuerfeste Auskleidung ausgerüstet. Um einen intensiven Kontakt zwischen Abgas und Klärschlamm zu gewährleisten, werden Einbauten zur Umwälzung und damit zu einer weitgehenden Trocknung des Klärschlammes vorgese- hen. Dabei wird der Klärschlamm umgewälzt und Agglomerate zerkleinert. Aufgrund der Korrosivität des Materials sind sowohl der Drehrohrmantel als auch die Einbauten in diesem Bereich aus Edelstahl gefertigt.

Die ausgetriebenen Brüden verlassen mit dem abgekühlten Abgasstrom als Prozessgas das Drehrohr und werden über das Prozessgasgebläse und den Prozessgaskanal aus Edelstahl in den Brennraum des Abfallkessels eingedüst und über Kessel und Abgas- reinigung der MVA geführt. Der Klärschlamm durchläuft nach der Trocknung (1) die weiteren thermodynamischen Prozesszonen des Drehrohres:

Im vorgetrockneten Klärschlamm wird die vorhandene Organik karbonisiert. Rest- sauerstoff im entgegenströmenden Prozessgas führt zur partiellen Verbrennung. – Pyro- lyse (2)

Mittels des zugeführten, heißen Abgases vom Abfallkessel wird der benötigte Sauerstoff bereitgestellt, um den verkokten Klärschlamm zu verbrennen. – Verbrennung (3) Sowohl die Pyrolyse- als auch die Verbrennungszone werden feuerfest ausgekleidet.

Durch den Einsatz von Formsteinen in der Verbrennungszone, ist durch die erhöhte Umwälzung des Materials ein ausreichender Ausbrand und damit eine Reduzierung der Drehrohrlänge gegeben.

Die Lage der drei unterschiedlichen Zonen kann je nach Klärschlammgüte über die Heißgasmenge sowie eine mögliche Frischluftzugabe in den Heißgasstrom zur Erhö- hung des Sauerstoffangebotes gesteuert werden.

Die Asche als Produkt des Drehrohrprozesses wird gekühlt und kann einem Phosphor- recycling zugeführt werden. Alternativ ist durch eine Zuführung von Alkali- und/oder Erdalkalisalzen in den Eduktstrom eine Reduzierung des Schwermetallgehaltes durch eine Erhöhung der Flüchtigkeit während der Verbrennung und eine ausreichende Pflanzenverfügbarkeit zum direkten Einsatz der Asche als Düngemittel möglich (EuPhoRe- Verfahren) [3].

Die chemischen Umsetzungen im Drehrohr über die drei Phasen der Umwandlung fasst Bild 2 zusammen.

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Verbrennung

Bild 2: Thermodynamische Vorgänge während der thermischen Klärschlammbehandlung in einem Drehrohr

Bei der Anbindung der Drehrohranlage an die Abfallverbrennung ist der Betrieb letzterer weiterhin ohne Einschränkungen zu gewährleisten. Durch den Abzug des Heißgases und die Rückführung des Prozessgases in den Verbrennungsraum sinkt die Rauchgastemperatur im Kessel. Es ist also sicherzustellen, dass eine Unterschreitung notwendiger Parameter (850 °C für 2 Sekunden) auch im Teillastfall oder eine Über- schreitung von sicherheitsrelevanten Auslegungsparametern des Kessels aufgrund einer gesteigerten Dampfproduktion ausgeschlossen werden kann. Zu diesem Zweck ist eine Berechnung des Abfallkessels in Abhängigkeit der Reisezeit und unter Berück- sichtigung der geänderten Rauchgasparameter (Zusammensetzung, Massenstrom und Temperatur) notwendig, um eine geeignete Position für die Anbindung zu ermitteln.

Das Verhalten des Kessels definiert im Übrigen damit auch die maximal mögliche Kapazität der Drehrohranlage.

Die Rauchgasreinigungssysteme vorhandener MVA verfügen i. d. R. über die notwendigen Reserven, um die zusätzliche Schadstofffracht sicher abzuscheiden. Neben der Möglich-keit der Direktbeheizung des Drehrohres durch Heißgas aus dem Kessel liegt hier der zweite große Vorteil der Kopplung einer thermischen Klärschlammbehandlung mittels Drehrohr und einer MVA.

2.2. Wirbelschichttechnologie

Bei Anlagenstandorten, die eine direkte Kopplung mit einer benachbarten MVA nicht möglich machen, kommen stationäre Wirbelschichtöfen zum Einsatz, die für nieder- kalorische, pastöse Brennstoffe aufgrund der hervorragenden Stoff- und Wärmeüber- tragung eine homogene Verbrennung bei niedrigen Temperaturen von 870 bis 920 °C geeignet sind und eine hohe Ausbrandgüte ermöglichen.

Um eine autarke Verbrennung des Materials im Wirbelschichtofen zu gewährleisten, ist eine vorherige Trocknung auf einen TS-Gehalt von 39 bis 45 % (abhängig vom Heizwert der Trockensubstanz) unausweichlich. Vorzugsweise kommen hier dampf- beheizte Kontakttrockner, wie Scheiben- oder Dünnschichttrockner, zum Einsatz.

Abgas m.

Sauerstoff

Asche (Low-Cal)-

Prozessgas

Edukt

2 C + O₂ 2 CO Gasstrom

Feststoffstrom 2 CO C + CO₂

H₂O + C H₂+ CO C + 2 H₂ CH₄

100 °C 500 °C 1.000 °C

900 1.000 – 1.500 °C 100 – 400 °C 500

Lignin CH₃COOH

900 °C Manteltemperatur

250 °C 250 °C

2 H₂O + C CH₄

Trocknung Pyrolyse Aktivierung Vergasung

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218

Verbrennung

Der Falschlufteintrag in den im leichten Unterdruck betriebenen Kontakttrockner kann mit 10 % angenommen werden, sodass diese den Trockner zusammen mit dem ausgetriebenen Wasser aus dem Klärschlamm als Brüdenstrom verlässt.

Annahme vollgetrockneter KS

Trocknung Wirbelschicht-

Verbrennung Dampfkessel Rauchgasreinigung Brüden

Heißdampf

Kondensat

DT Ab- dampf

Speisewasser Speisewasser-

behälter Verbrennungluft

Brüdenbehandlung Permeat Brüden-

kondensat

nicht- kondensierbare

Brüden

Retentat Fernwärme, externe Kühlung, etc.

G Brüdenkondensation

Bild 3: Schematische Darstellung einer Monoklärschlammverbrennungsanlage mit Brüden- kondensation und -behandlung

Der vorgetrocknete Klärschlamm wird mit Hilfe von eines oder mehrerer Wurfbeschi- cker homogen über den Querschnitt des Wirbelbettes verteilt und dort effizient unter Luftzugabe verbrannt. Im Bedarfsfall kann vollgetrockneter Klärschlamm (separate Annahme und Lagerung) als Sekundärbrennstoff vor der Aufgabe zugemischt werden, um den Heizwert des Brennstoffes zu erhöhen.

Die von unten in den Wirbelschichtofen eintretende Primärluft wird durch den in- stallierten Düsenboden verteilt. Es wird eine geeignete Gasgeschwindigkeit zur Fluidi- sierung des Wirbelbetts gewählt, um eine optimale Vermischung von Bettmaterial (Sand) und Klärschlamm zu gewährleisten.

Entstehendes, heißes Rauchgas inkl. Asche verlässt den Wirbelschichtofen und wird während der Durchströmung des vertikalen 3-Zug-Dampfkessels auf 180 bis 230 °C abgekühlt. Das zugeführte Speisewasser sollte eine Temperatur von mindestens 140 °C aufweisen, um lokale Unterschreitungen des Schwefelsäuretaupunktes an den Wandoberflächen des Economisers zu verhindern. Der produzierte Heißdampf wird üblicherweise zur Stromerzeugung mit Hilfe einer Dampfturbine samt Generator und zur Deckung des Wärmebedarfs der Trocknung sowie zur Speisewasser- und Verbren- nungsluftvorwärmung genutzt.

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Verbrennung

Nach einer anschließenden Vorentstaubung mit Hilfe eines Elektrofilters bzw. Gewebe- filters zur Gewinnung der Produktasche (zum weiteren Phosphorrecycling) erfolgt die Abscheidung der Schadstoffe.

Die repräsentative Zusammensetzung von kommunalen Klärschlämmen aus Tabelle 1 zeigt hohe Schwefelgehalte bei gleichzeitig geringen Chlorkonzentrationen. Für die Auslegung der Sauergasabscheidung ist somit die resultierende SO₂-Konzentration im Rohgas maßgeblich. Ausgeführt werden sowohl zweistufige Nasswäschen (sauer/

basisch) und (konditionierte) Trockensorptionen (Kalkhydrat) als auch Kombinati- onen dieser Technologien [1, 2]. Daneben führt der geringe Chlor-Gehalt dazu, dass das vorhandene Quecksilber im Rohgas nicht vollständig ionisiert vorliegt und somit eine zusätzliche Abscheidung des metallischen Quecksilbers mit Hilfe eines Adsorbens (Aktivkohle, Herdofenkoks, Zeolithe) vor der zweiten Staubabscheidung (Gewebe- filter) in Form einer Trockensorptionstufe notwendig wird [2]. Zur Erhöhung der Abscheideleistung von metallischem Quecksilber können darüber hinaus bromierte Aktivkohlen Einsatz finden.

Zur Reduzierung von NO_X-Emissionen und der sicheren Einhaltung entsprechender Grenzwerte sind durch homogene und niedrige Verbrennungstemperaturen, die Raschka-Wirbelschichtöfen auszeichnen, keine Sekundärmaßnahmen zur Rauchgas- entstickung (SNCR/SCR) notwendig.

Die Technologiewahl wird durch die Rohgaszusammensetzung und -temperatur unter Beachtung möglicher Schadstoffspitzen und damit der notwendigen Abscheideleistung der Rauchgasreinigungsanlage zur Einhaltung der Grenzwerte (17. BImSchV, BREF) bestimmt.

2.2.1. Brüdenkondensation, -behandlung und -entsorgung Obige Ausführungen sind allgemein für MKSVA mit Wirbelschichtfeuerungen gültig, wobei der notwendige Umgang mit dem Brüdenstrom aus der Trocknung den Prozess maßgeblich beeinflussen kann.

Bild 3 zeigt ein übliches Konzept für eine Anlage, die an einem Standort mit geeignetem Abwassernetz (Kläranlage in direkter Nachbarschaft) errichtet werden soll oder aus wirtschaftlichen Gründen eine Kondensation des Brüdenstroms, z.B. zur Auskopplung von Fernwärme, sinnvoll ist. Für eine theoretische Referenzanlage mit einer Jahres- kapazität von 36.000 t_TS (12 MJ/kg_TS, 24 % TS) und einem resultierenden Trockner- brüdenstrom von 8,2 t/h können so etwa 5 MW Fernwärmeleistung geliefert werden.

Nach der Kondensation schließt ein weiterer Wärmeübertrager zur Unterkühlung des Brüdenkondensats mit Hilfe von Kühlwasser an. Die nicht-kondensierbaren Brüden, vornehmlich Falschluft aus dem Trocknungsprozess, werden mit Rauchgas aufgeheizt und dem Wirbelschichtofen zugeführt. Das Brüdenkondensat ist zum Teil stark be- lastet und darf ohne eine erhebliche Rückbelastung der Kläranlage nicht unbehandelt zurückgeführt werden (Tabelle 2).

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220

Verbrennung

Bild 4: Schematische Darstellung der Brüdenaufbereitungsanlage

Um eine Indirekteinleitung dieses Stoffstromes möglich zu machen, ist eine Aufberei- tung notwendig. Hier bietet sich eine Verfahrenskombination aus Ultrafiltration und Umkehrosmose an, die an die Brüdenkondensationsstufen anschließt (Bild 4). Mit Hilfe der Ultrafiltration werden vor allem feste Bestandteile abgetrennt, die in Abhängigkeit des Trocknerbetriebes vor allem in Teillast und während der An- und Abfahrvorgänge erheblich sein können. Das Filtrat der Ultrafiltration muss im Folgenden durch Kühlung und pH-Wert-Einstellung (pH 6,8) konditioniert werden, um eine effiziente Abschei- dung von organischen, vor allem von Ammonium, und anorganisches Komponenten in der Umkehrosmose zu gewährleisten. Diese ist zweistufig aufgebaut und liefert ein Permeat (Gesamtausbeute bis zu 90 %), das die Grenzwerte zur Indirekteinleitung erfüllt. Darüber hinaus kann dieses, z.B. in der Rauchgasreinigung, als Prozesswasser dienen (konditionierte Trockensorption).

Die Retentatströme werden gesammelt dem Klärschlamm vor der Trocknung wieder zugeführt und über die Wirbelschichtfeuerung entsorgt.

Das heiße Rauchgas aus der Wirbelschichtverbrennung weist bei dieser Prozess- variante für die oben beschriebene Referenzanlage einen Wassergehalt von etwa 30 bis 35 Vol.-% auf. Für typische SO₂-Konzentrationen von 3.000 bis 4.000 mg Nm_tr^-3 liefern die oben genannten Verfahren der Rauchgasreinigung ausreichende Abscheideleistun- gen und das Korrosionsrisiko durch Unterschreitung des Schwefelsäuretaupunktes ist auch bei Trockensorptionsverfahren beherrschbar.

Trocknung Brüden

Brüdenkondensat Fernwärme,

externe Kühlung, etc.

Ultrafiltration nicht- kondensierbare

Brüden Wirbelschicht

Retentat entwässerter

Klärschlamm

Umkehr- osmose 2

Umkehr- osmose 1

H₂SO₄

Permeat Abwassersystem

Heizdampf

Kondensat Kondensat-

system Dampfturbine

Bunker

getrockneter

Klärschlamm Wirbelschicht

Kühlkreislauf Kühlung

Brüdenkondensation

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Verbrennung

2.2.2. Brüdenverwertung Ist auf dem gewählten Standort hingegen keine Entsorgung der Brüdenkondensate ökonomisch vertretbar und/oder eine Nutzung der Kondensationswärme, z.B. durch eine Fernwärmeanbindung, nicht gegeben, sollte eine interne Verwertung der anfal- lenden Brüden angestrebt werden. Dies kann über eine Eindüsung der Trocknerbrü- den in den Wirbelschichtofen erfolgen und kann sowohl einen Teil der Brüden als auch die vollständige Menge betreffen. Die favorisierte Menge der einzubringenden Brüden definiert das Maß der notwendigen Vorheizung derselben, um eine zu star- ke Absenkung der Rauchgastemperatur auf unter 850 °C zu verhindern (Vorgabe 17. BImSchV).

Die Brüden verlassen den Trockner mit einer Temperatur von etwa 105 °C und werden anschließend mit Rauchgas über mehrere Wärmeübertrager im ersten Kesselzug vari- abel aufgeheizt und anschließend dem Freeboard des Wirbelschichtofens dampfförmig zugegeben. Eine Kondensation der Brüden ist damit ausgeschlossen, sodass die im Trockner aufgebrachte Verdampfungsleistung im System verbleibt. Zusätzlich ist eine Regelung der Verbrennungslufttemperatur vorzusehen, um einen weiteren Freiheits- grad zu generieren. Die Standardkessel Baumgarte GmbH hat dieses Verfahren bereits zum Patent angemeldet (Anmeldenummer 10 2018 131 058.7).

Zur vollständigen Verwertung der Trocknerbrüden in der oben beschriebenen Refe- renzanlage ist eine Brüdenvorheizung auf 750 °C umzusetzen, um eine Mischungs- temperatur des Rauchgases von > 850 °C und damit die gesetzlichen Vorgaben einzuhalten. Durch diese vollständige Brüdenverwertung fallen keine Brüdenabwässer an, die eine Aufbereitung und Entsorgung des Stoffstromes notwendig machen (Bild 5).

Annahme vollgetrockneter KS

Trocknung Wirbelschicht-

Verbrennung Dampf-

kessel Rauchgas- reinigung Brüden

Heißdampf

Kondensat

Abdampf DT

Speisewasser Speisewasser-

behälter Verbrennungsluft

G

Bild 5: Schematische Darstellung einer Monoklärschlammverbrennungsanlage mit vollständiger interner Brüdenverwertung

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222

Verbrennung

Die Brüden passieren gemeinsam mit dem Rauchgas den Dampfkessel inkl. der Wär- meübertrager zur Brüdenaufheizung, sodass die aufgebrachte Energie wieder zurück- gewonnen werden kann. Daraus resultiert eine vergleichbare Kesselleistung zwischen Anlagen mit Brüdenkondensation und Brüdenverwertung.

Bild 6 zeigt die relativen Abweichungen der Wärmeströme am Dampfkessel der oben beschriebenen Referenzanlage mit vollständiger Brüdenverwertung zur Basisvariante mit vollständiger Kondensation. Der Wärmeeintrag in den Kessel ist aufgrund des

Summe Wärme- eintrag

Summe Wärme- austrag

Summe Nutzwärme Frischdampf-

erzeugung normierte Wärmeleistung

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

0

zusätzlichen Brüdenstroms mit dem Rauchgas größer. Daneben ist der Wär- meaustrag im Vergleich ebenfalls höher.

Dies ist vor allem auf einen höheren Ab- gasverlust und die notwendige Energie zur Brüdenaufheizung zurückzuführen. In Summe ergibt sich jedoch eine vergleichbare nutzbare Wärmeenergie im Kessel und damit auch eine lediglich um 5 % geringere Frischdampferzeugungsmenge.

Mit einer Verwertung der Brüden in der Wirbelschicht nach diesem Verfahren ist somit keine signifikante Leistungsreduzie- rung des Dampfkessels verbunden.

Einen größeren Einfluss hat die Brüden- zugabe auf den nachfolgenden Prozess, vor allem die Rauchgasreinigung. Durch den höheren Feuchtegehalt des Rauchga- ses von > 40 Vol.-% kann das Risiko von Korrosionserscheinungen bei Anwen- dung trockener bzw. konditioniert trockener Verfahren durch eine mögliche Tau- punktsunterschreitung erheblich sein [1].

Solche Feuchtegehalte machen eine nasse Rauchgasreinigungsstufe notwendig, die üblicherweise aus einer basischen und einer sauren Waschstufe bestehen. Vorteil ist eine zusätzliche NH₃-Abscheidung im sauren Wäscher, wobei das entstehende Abwasser aufbereitet und entsorgt werden muss.

Eine Alternative ist die Verwertung lediglich eines definierten Anteiles der Trockner- brüden im Wirbelschichtofen möglich, um die Rauchgasfeuchte zu begrenzen. Die Vorwärmung von Brüden und Verbrennungsluft ist dementsprechend anzupassen, um die Temperaturvorgabe von 850 °C einzuhalten bzw. eine Überhitzung des Wir- belbetts zu verhindern. Die restlichen Brüden bedürfen dann jedoch wiederum der Kondensation, Behandlung und Entsorgung.

Bild 6: Wärmeenergieströme eines Dampf- kessels bei vollständiger Brüdenver- wertung normiert auf die Basisvariante bei vollständiger Kondensation

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Verbrennung

3. Zusammenfassung

Die aufgezeigten Verfahrensvarianten zeigen, dass je nach Standort der geplanten An- lage und Zusammensetzungen des angelieferten Materials unterschiedliche Verfahrens- konzepte mit hoher Effizienz und Anlagenverfügbarkeit umsetzbar sind. Sowohl die Klärschlammverwertung mit Hilfe der Drehrohrtechnologie und Kopplung mit einer Abfallverbrennungsanlage als auch die autonome Wirbelschichtverbrennungsanlage inkl. vorheriger Trocknung des Klärschlammes und effizienter Rauchgasreinigung gehören zum Stand der Technik. Neu ist in diesem Zusammenhang die Möglichkeit einer teilweisen oder sogar vollständigen Verwertung der Brüden in der Wirbelschicht- feuerung mit lediglich geringen negativen Auswirkungen auf die Dampfproduktion.

4. Literatur

[1] Band, D.: Konzepte für die Rauchgasreinigung nach Monoklärschlammverbrennung – worauf muss man achten?. In: Holm, O.; Thomé-Kozmiensky, K. J.; Quicker, P.; Kopp-Assenmacher, S.

(Hrsg.): Verwertung von Klärschlamm. Neuruppin: Thomé-Kozmiensky Verlag GmbH. 2018, S. 327-342

[2] Karpf, R.: Klärschlammverbrennung und -mitverbrennung – Übersicht zu den Anforderungen und Voraussetzungen an die Abgasreinigung. In: Holm, O.; Thomé-Kozmiensky, K. J.; Quicker, P.; Kopp-Assenmacher, S. (Hrsg.): Verwertung von Klärschlamm. Neuruppin: Thomé-Kozmi- ensky Verlag GmbH. 2018, S. 305-326

[3] Klose, S.: Thermo-chemische Klärschlammbehandlung nach dem EuPhoRe-Verfahren – die perfekte Synergie im Verbund mit Feststoffkraftwerken. In: Holm, O.; Thomé-Kozmiensky, K. J.;

Quicker, P.; Kopp-Assenmacher, S. (Hrsg.): Verwertung von Klärschlamm. Neuruppin: Thomé- Kozmiensky Verlag GmbH. 2018, S. 481-490

[4] Löschau, M.; Pittmann, T.: Brüdenkondensat – ein vernachlässigtes Problem?. In: Holm, O.;

Thomé-Kozmiensky, K. J.; Quicker, P.; Kopp-Assenmacher, S. (Hrsg.): Verwertung von Klär- schlamm. Neuruppin: Thomé-Kozmiensky Verlag GmbH. 2018, S. 343-362

[5] Nolte, M.; Unger, P.: Gewinnbringende Symbiose – Nutzung von Synergieeffekten bei der Re- alisierung einer Klärschlammverbrennungsanlage im Umfeld thermischer Anlagen. In: Holm, O.; Thomé-Kozmiensky, K. J.; Quicker, P.; Kopp-Assenmacher, S. (Hrsg.): Verwertung von Klär- schlamm. Neuruppin: Thomé-Kozmiensky Verlag GmbH. 2018, S. 287-304

Ansprechpartner

Dr.-Ing. Jan Frederik Horstmeier Standardkessel Baumgarte GmbH Projektleiter Klärschlammbehandlung Senner Straße 115

33647 Bielefeld, Deutschland +49 521 9406-126

jhorstmeier@standardkessel-baumgarte.com

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2

Vorwort

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.dnb.de abrufbar

Olaf Holm, Elisabeth Thomé-Kozmiensky, Peter Quicker, Stefan Kopp-Assenmacher (Hrsg.):

Verwertung von Klärschlamm 2

ISBN 978-3-944310-49-7 Thomé-Kozmiensky Verlag GmbH

Verlag: Thomé-Kozmiensky Verlag GmbH • Neuruppin 2019 Redaktion und Lektorat: Dr.-Ing. Olaf Holm

Erfassung und Layout: Elisabeth Thomé-Kozmiensky, M.Sc., Janin Burbott-Seidel, Roland Richter

Druck: Beltz Grafische Betriebe GmbH, Bad Langensalza

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