Verbrennung
The Michaelis Paddle Kiln –
the Innovative Technology for Thermal Sewage Sludge Recycling
André Tagali and Bernhard Grimm
Since the 3rd October 2017 the new directive on the Reform of Sewage Sludge Utilisation of the 27th September 2017 has become effective. The central element of the directive is the inclusion of comprehensive requirements for the recovery of phosphorus from sewage sludge and sludge incineration ash. Companies that are operating wastewater treatment plants or sewage sludge incineration plants must comply with these require- ments starting in 2029 at the latest. According to the directive it is obligatory to recover phosphorous when sewage sludge has a phosphorous content of 20 grams per kilogram of dry solids or more.
The total capacity of sewage sludge incineration in Germany is 700,000 t/a dry matter, of which 500,000 t/a are processed in mono incineration plants. [4]
More than 80 % of this mono-combustion is treated by the stationary fluidized bed incineration technology. All other processes of sewage sludge mono-combustion are summarized under the term alternative processes. This indicates that alternative com- bustion systems are not commonly used so far.
The first reference plant using the moved bed incinerator technology, developed and patented by Michaelis, for sewage sludge combustion has been successfully operated since 2011. The technology has proven its furnace‘s reliability and suitability for various other fuels (household waste, hazardous waste, biomass, substitute fuels, sludge) at several additional reference plants.
This article describes a moved bed system for the mono-combustion of sewage sludge. The used sewage sludge of the operated plant is a mixture of industrial and municipal sludge with a high zinc content. The ash from incineration is to be melted for zinc recovery.
The plant consists of:
• Precipitation and mechanical dewatering - The sewage sludge is dewatered from 3.5 to 23 % dry solids. The water produced during dewatering is returned to the sewage sludge plant.
• In a second stage the sludge is dried to 38 % dry solids in a thin film dryer
• Combustion in the moved bed incinerator - Ash analyses showed ash residue values of 96 to 99 %. The plant reaches the specified limit values for the post treatment of the ash for zinc recovery.
• The waste heat is used very efficiently internally and externally via heat exchanger systems in the plant.
• Multi-stage flue gas cleaning - The high sulphur content in this application requires sophisticated flue gas cleaning.
The Michaelis feed furnace is a real alternative process to the fluidized bed for sewage sludge mono-combustion with benefits especially in terms of phosphorus recovery.
Verbrennung
Der Michaelis-Paddelofen –
die innovative Technik zur thermischen Klärschlammverwertung
André Tagali und Bernhard Grimm
1. Verfahren der Monoverbrennung und deren Status Quo ...244
2. Der Paddelofen, eine innovative Technologie für die Klärschlammverbrennung...244
2.1. Aufbau und Funktion ...244
2.1.1. Hauptbrennkammer ...245
2.1.2. Nachbrennkammer ...246
3. Der Paddel-Vorschubofen zur Klärschlammverbrennung ...246
3.1. Vorbehandlung des Klärschlamms ...247
3.2. Klärschlammverbrennung ...247
3.2.1. Verbrennung und Ascheaustrag ...248
3.2.2. Nachverbrennung...249
3.2.3. Abhitze-Verwertung in einem Thermalölkessel ...249
3.2.4. Rauchgasreinigung ...249
4. Zusammenfassung ...250
5. Literatur ...250
Im Jahr 2017 fielen in Deutschland etwa 1,7 Millionen Tonnen Klärschlamm an Trockenmasse (TM) aus kommunalen Abwasserbehandlungsanlagen an [1]. 30 % der Klärschlämme wurden in der Landwirtschaft und im Landschaftsbau zur Pflan- zenernährung und Bodenverbesserung genutzt. Die restlichen 70 % wurden nach einer thermischen Behandlung als Asche auf Deponie abgelagert oder als Aschen im Straßenbau oder Bergwerk verwertet.
Mit der Klärschlammverordnung 2017 ist spätestens ab 2029 eine Phosphorrückgewin- nung ab einem Phosphorgehalt von 20 g pro kg Trockenmasse Klärschlamm Pflicht.
Zugleich wird die Einsatzmöglichkeit von Klärschlamm zur Bodenverbesserung sehr stark eingeschränkt. Die Klärschlamm-Mitverbrennung in Kohlekraftwerken, Zement- werken oder Müllverbrennungsanlagen wird dann gar nicht mehr möglich sein. Für die thermische Verwertung hat sich die Monoverbrennung bewährt. Andere Verfahren wie die Pyrolyse oder die Vergasung konnten sich nicht etablieren.
Verbrennung
1. Verfahren der Monoverbrennung und deren Status Quo
Die Gesamtkapazität der Klärschlammverbrennung in Deutschland beträgt 700.000 t/a TM, davon 500.000 t/a in der Monoverbrennung [4]. Über 80 % dieser Monoverbrennung erfolgt mit dem Verfahren der stationären Wirbelschicht. Alle andere Verfahren der Klärschlammverbrennung werden unter dem Begriff alternative Verfahren zusammen- gefasst. Das deutet darauf hin, dass diese Feuerungssysteme bisher wenig verbreitet sind.
Bekannte alternative Feuerungssysteme sind:
• Etagenofen – Der Etagenofen hat sich für kommunalen Klärschlammverbrennung nicht bewährt. [5]
• Etagenwirbler – Hierfür wird ein Etagenofen auf einen Wirbelschichtofen gesetzt, um so die Vorteile beider Systeme miteinander zu verbinden. Eine Anlage dieses Typs wird in Deutschland nur noch in Frankfurt a.M. in betrieben und kann als Unikat gesehen werden. [5]
• Rostfeuerung – Bis jetzt ist nur eine Anlage in Deutschland bekannt in der eine Rostfeuerung betrieben wird (Emter GmbH in Altenstadt). Die Rostfeuerung hat sich für Klärschlammmonoverbrennung nicht bewährt [3].
• Drehrohrofen – Der Drehrohrofen wird kaum eingesetzt, weil der Ausband oft unzu- reichend ist. Hauptgrund ist, dass das Material durch die Trommelbewegung zu Kugeln agglomeriert, deren äußere Schicht versintert und die Inneren unverbrannt bleiben.
Mit der Inbetriebnahme der ersten Anlage zur Klärschlammmonoverbrennung im Jahre 2017 in Deutschland und den daraus gewonnen Erfahrungen bietet sich der Paddelofen als echte Alternative zur stationären Wirbelschicht an.
2. Der Paddelofen, eine innovative Technologie für die Klärschlammverbrennung
Der Paddelofen wurde ursprünglich zur Verbrennung von Hausmüll, hausmüllähn- lichem Abfall und Sonderabfall entwickelt. Der erste Paddelofen zur Sondermüllver- brennung wurde im Jahre 2006 in Betrieb genommen. Seit der erfolgreichen Inbetrieb- nahme dieser Anlage wurden mehr als 18 Anlagen dieses Typs gebaut und in Betrieb genommen. Die thermischen Leistungen reichen von 0,5 bis 16 MW. Nachgeschaltet sind in der Regel Systeme zur Abwärmenutzung, die sich am Bedarf des Kunden orientieren (Warm- und Heißwasser, Thermal-Öl, Dampf). Zurzeit wird eine Pad- delofenanlage zur thermischen Verwertung von 5.000 kg/h Ersatzbrennstoff in Groß- britannien (EBS) errichtet. Mit einer Feuerungswärmeleistung von 16 MW wird über einen Wasser-Dampf-Kreislauf mit Turbine bis zu 3,7 MW elektrische Energie erzeugt.
2.1. Aufbau und Funktion
Der Paddelofen besteht aus einer mit feuerfestem Material voll ausgekleideten Hauptbrennkammer, in der fester Abfall zu Rauchgasen und Asche umgesetzt wird.
Die Paddel sorgen für Vorschub und homogenen Durchmischung des Brenngutes
Verbrennung
und der Asche. Die vollständige Oxidation der Inhaltstoffe der Rauchgase erfolgt in der nachgeschalteten Nachbrennkammer, die auch die vorgeschriebene Verweilzeit gewährleistet.
2.1.1. Hauptbrennkammer Die Bewegung des Abfalls vom Aufgabenschacht bis zum Ascheaustrag erfolgt über die sogenannten Paddeln. Bild 1 zeigt den Aufbau des Paddelofens. Der Paddelofen arbeitet nach dem Prinzip des Vorschubofens. Abfall und Rauchgase werden im Gleichstrom geführt. Die Hauptbrennkammer kann in die Trocknungszone, Haupt- verbrennungszone und Nachverbrennungszone unterteilt werden. Am Ende der Nachverbrennungszone wird die Asche mit Hilfe der letzten Paddel in den Aschekasten geräumt und ausgetragen.
Die Paddel sind an wassergekühlten Wellen befestigt. Die Wellen sind parallel zu einan- der in der Hauptbrennkammer angeordnet. Abfallart und thermische Feuerungsleis- tung bestimmen die Anzahl der Wellen. Die Paddel können vorwärts in Richtung Aschekasten oder rückwärts in Richtung Abfallaufgabeschacht rotieren, wobei jede Paddelwelle individuell steuerbar ist. Somit sind interne Rezirkulation und Rückver- mischung des Abfalls für eine optimale Aschequalität möglich. Der Paddellauf (die Bewegungsrichtung und Häufigkeit der Rotation, die interne Rezirkulation des Abfalls) wird über eine eigene SPS (= speicherprogrammierbare Steuerung) gesteuert.
Der Ofen ist mit Brenneranlagen ausgerüstet, die dazu dienen den Ofen auf Betriebs- temperatur zu bringen und die Mindesttemperatur während des Abfallverbrennungs- betriebes abzusichern. Die Verbrennungsluft wird an den am Ofen seitlich angebrachten Stutzen entlang der Ofenlänge zugegeben. Ihre Verteilung kann an die Erfordernisse der Einzelnen Verbrennungszonen angepasst werden.
Ascheaustritt Misch-
kammer
Paddel Nachbrennkammer
Rauchgasstutzen Ausmauerung
Rauchgasaustritt Stutzen für Brenner
Stutzen für Brenner
Eintritt Abfall Rauchgasstutzen
Stutzen für Verbrennungsluft
Hauptbrennkammer
Bild 1: Aufbau des Paddelofens
Verbrennung
Der Paddelofen ist ein sehr robuster und flexibler Apparat. Er verbrennt sowohl kalorien- arme als auch heizwertreiche Abfallstoffe. Er kann bei 50 bis 110 % der thermischen Leis- tung gefahren werden. Mit ihm können sowohl feste als auch flüssige oder pastöse Abfall- stoffe durchgesetzt werden.
2.1.2. Nachbrennkammer
Zur Einhaltung der gesetzlich vorgeschriebenen Mindestverbrennungstemperatur von 850 °C bei einer Verweilzeit von 2 Sekunden werden die Rauchgase aus der Haupt- brennkammer in einer nachgeschalteten Nachbrennkammer vollständig oxidiert.
Die Nachbrennkammer besteht aus einer Mischkammer in der ein Brenner instal- liert ist. Der Brenner heizt die Nachbrennkammer auf, bleibt im Standby-Betrieb zur Absicherung der Mindestverbrennungstemperatur und hält die Nachbrennkammer auf Betriebstemperatur. In der Mischkammer herrscht eine hohe Turbulenz zwischen Brennerabgas und Rauchgas, wodurch eine gleichmäßige Vermischung beider Gas- ströme erreicht wird.
Anschließend durchströmen die Rauchgase eine Verweilzeitkammer. Die Verweilzeit- kammer ist in mehrere einzelne Kammern unterteilt. Das Rauchgas wird bei jedem Übergang zwischen diesen Kammern in den Stutzen nochmal intensiv durchmischt.
Die intensive Vermischung begünstigt die Oxidation der Inhaltstoffe des Rauchgases sehr stark. Niedrige Reingaswerte für Kohlenmonoxid und Gesamt-Kohlenwasserstoffe sind das Resultat. Die Einhaltung der 2 Sekunden / 850 °C Anforderung wird durch CFD-Simulation (CFD = Computational Fluid Dynamics) bestätigt.
Die kompakte Bauweise mit der liegenden Nachbrennkammer, insbesondere die niedrige Bauhöhe bietet Vorteile bei einer Innenaufstellung der Anlage. Im anschließenden Abhitzesystem werden die heißen Rauchgase auf die Betriebstemperatur der nach- geschalteten Aggregate abgekühlt. Die Rauchgasreinigungsanlagen sind mit der BVT (Beste Verfügbare Technik) ausgestattet. Es werden je nach Anforderung trockene, semi-trockene, nasse oder Kombinationen dieser Verfahren eingesetzt.
3. Der Paddel-Vorschubofen zur Klärschlammverbrennung
In der Gemeinschaftskläranlage einer Gemeinde und des naheliegenden Industrieparks bei Aschaffenburg fallen jährlich 24.000 Tonnen mechanisch entwässerter Klärschlamm an, der per Lastwagen (statistisch einer pro Tag) in ein Braunkohlekraftwerk im Osten des Landes gebracht und dort mitverbrannt wird. Das ist wenig umweltfreundlich und teuer. Die Partner beschlossen deshalb, selbst eine Klärschlammverwertungsanlage zu bauen.
Durch die Verbrennung des Klärschlamms auf dem Industriepark entfällt der Trans- portweg per Lastwagen, der Klärschlamm mit 3,5 bis 5 % Trockensubstanz (TS) wird künftig von der Kläranlage zur 4 km entfernten Verbrennungsanlage gepumpt werden.
Verbrennung
3.1. Vorbehandlung des Klärschlamms
Der aus der Kläranlage ankommende Dünnschlamm wird für die Verbrennung kon- ditioniert. Die Vorbehandlung besteht aus folgenden 3 Schritten:
1. Fällung und mechanische Entwässerung in einem Dekanter – Der Klärschlamm wird von 3,5 bis 5,5 % TS auf 23 bis 28 % TS entwässert. Das im Rahmen der Ent- wässerung anfallende Wasser wird wieder zur Klärschlammanlage zurückgeführt.
2. Aus dem Dekanter wird der Schlamm direkt in einem geschlossenen System auf den Anschlussstutzen eines Dünnschichttrockners geleitet und dort weiter getrocknet.
3. Der Dünnschichttrockner wird mit Heißwasser von 140 bis 160 °C beheizt. Die notwendige Heizleistung wird durch Auskopplung der Rauchgaswärme gewonnen.
Der Klärschlamm wird auf 38 % TS vorgetrocknet.
3.2. Klärschlammverbrennung
Der Klärschlamm enthält über 10 % Zink. Dieses Zink stammt aus den industriellen Abwässern der Textilwerke vom Industriepark und soll aus der Verbrennungsasche hüttentechnisch verwertet werden. Die Auslegungsdaten des Ofens sind in Tabelle 1 dargestellt. Hinsichtlich der Rauchgasreinigung werden die Anforderungen der zurzeit gültigen 17. BImSchV eingehalten.
Tabelle 1:
Auslegungsdaten des Ofens Klärschlammdurchsatz 1.500 – 3.000 kg/h
TS-Gehalt 38,0 %
Asche-Gehalt 43,0 %
S-Gehalt 8,0 %
Cl-Gehalt 0,2 %
Zink-Gehalt 12,6 %
P2O5 3,0 %
Hg 2,4 mg/kg
Heizwert TS 13.000 kJ/kg
maximale zulässige Feuerungswärmeleistung 6.400 kW
Zusatzbrennstoff Erdgas
Das Grundfließschema in Bild 2 zeigt den Verfahrensablauf der Anlage.
Nach Literaturangaben [3] ist eine autotherme Verbrennung von Klärschlamm erst ab einem unteren Heizwert von 4.500 kJ/kg möglich ist. Dieser Wert wird für den zu behandelnden Schlamm theoretisch ab einem TS-Gehalt von 42 % erreicht. Mit dem TS-Gehalt von 38 % erfordert die Verbrennung des Schlamms den Einsatz von Primärenergie. Dieser Primärenergiebedarf wird durch Erdgas über die Zünd- und Stützbrenner der Anlage zugeführt.
Verbrennung
3.2.1. Verbrennung und Ascheaustrag
Der auf 38 % TS vorgetrocknete und rieselfähige Klärschlamm wird mit Hilfe eines Rohrkettenförderers in den auf mindestens 750 °C vorgeheizten Ofen dosiert. Im vor- deren Teil des Ofens, den Trocknungsbereich, werden die Paddelreihen kontinuierlich bewegt. Das eingetragene Material wird somit durchgehend aufgelockert und mit Hilfe der Paddel in die Verbrennungszone und weiter in Richtung Ascheaustrag verschoben.
Die Verbrennungsluftmenge wird über den Sauerstoffgehalt im Rauchgas geregelt. Da es sich um eine Monoverbrennung handelt ist der O2-Gehalt des Rauchgases weitest- gehend konstant. Die letzte Paddelreihe befördert die Asche in den Ascheaustrag. Das Bild 3 zeigt einen Blick in den Paddelofen.
Ascheanalysen ergaben Glührückstandswerte von 96 bis 99 %. Für die Verhüttung der Asche zur Zink-Rückgewinnung wurde der vorgegebene Wert erreicht.
Bild 2: Grundschema der Anlage
Bild 3:
Blick in den Paddelofen
Ca(OH)2 + Aktiv- kohle Diphenyl zu Verbraucher
370 °C
maximale Feuerungs- wärmeleistung:
6.400 kW Klärschlamm
Ofen und NBK*
Thermal- öl- kessel
Gas/Gas Wärme- tauscher
Verbrennungsluft Abwasser Filter
Quenche und Kollonen-
wäscher
Bunkerabsaugung Innen-/Außenluft
Reingas
Kamin 40 %
Harnstoff 25 %
NaOH
250-280 °C
850-900 °C 400 °C 160 °C
150 °C 140 °C 220 °C
20 °C
65 °C
300-320 °C Diphenyl
350 °C
Diphenyl 350 °C
Diphenyl 330 °C Rest- stoff TS: 38 %
S: 8 %
Abgas- Vorwär- mer
stickungEnt- SCR
WT** für
trocknungVor- LUVO
* NBK = Nachbrenn- kammer
** WT = Wärme- tauscher
Verbrennung
3.2.2. Nachverbrennung Die Rauchgase aus der Hauptbrennkammer durchströmen eine Mischkammer, in der ein Brenner installiert ist. Der Brenner hat die Aufgabe die Rauchgase aus der Haupt- brennkammer bei Bedarf auf die gesetzlich geforderte Mindesttemperatur aufzuheizen und zu halten. Bei unzulässig erhöhten Werten für CO und/oder Gesamt-Kohlenstoff im Reingas kann mit Hilfe des Brenners die Rauchgastemperatur angehoben werden und auf diese Weise die Oxidation begünstigt werden.
3.2.3. Abhitze-Verwertung in einem Thermalölkessel Die heißen Rauchgase aus der Nachbrennkammer werden in dem nachgeschalten Thermalölkessel abgekühlt. Der Kessel besteht aus einem einzugigen Strahlungsteil und einem Konvektionsteil. Die Rauchgase werden von 850 bis 950 °C auf etwa 400 °C gekühlt. Die relativ hohe Temperatur von 400 °C wurde unter Berücksichtigung der nachfolgenden Rauchgasreinigung gewählt. Aufgrund des sehr niedrigen Cl-Gehalt im Klärschlamm sind Probleme der Hochtemperatur-Chlorkorrosion im Kessel sehr gering. Über weitere Wärme Verschiebesysteme in der Anlage wird die Abwärme sehr effizient intern und extern genutzt.
3.2.4. Rauchgasreinigung Bild 4 zeigt den Aufstellungsplan der gesamten Anlage Klärschlammverwertungsanlage.
Der hohe Schwefelgehalt im Klärschlamm erfordert eine anspruchsvolle Rauchgasrei- nigung. Sie besteht aus:
1. einer Filterstufe zur Staubabscheidung und Vorentschwefelung; eine Mischung aus Kalkhydrat und Aktivkohle wird als Reaktionsmittel eingesetzt,
2. einem Sprühwäscher mit Natronlauge zur SO2-Abscheidung; die im Industriepark anfallende Natronlauge wird als Neutralisationsmittel verwendet und
3. einer Entstickung nach SCR-Verfahren mit Harnstoff als Reduktionsmittel.
Bild 4:
Aufstellungsplan der Klär- schlammverwertungsanlage
Wäscher Filter
Ofen Luftvorwärmer Reststoffsilo
Entaschung TÖ-Kessel**
Gas / Gas WT*
Silo für Frischadditiv
Saugzug
* WT = Wärmetauscher
** TÖ = Thermalölkessel
Verbrennung
Die Rauchgasreinigungsanlage erfüllt die aktuellen und zukünftig zu erwartenden Anforderungen, wie die Reingaswerte in Tabelle 2 zeigen.
4. Zusammenfassung
Der Paddelofen ist ein Alternativverfahren zur der etablierten Wirbelschicht.
• Die Technik gewährleistet die Einhaltung der gesetzlichen Vorgaben bezüglich Ausbrand und Emissionen.
• Für die Verbrennung ist keine einheitliche Körnung des Brennstoffes erforderlich.
• Der Ofen ist unempfindlich in Bezug auf Heizwert-Schwankungen.
• Insbesondere für die weitere Verarbeitung / Aufbereitung der Asche (Phosphor- rückgewinnung, Zinkverhüttung o.ä.) ist es günstig, dass die Asche nicht mit an- deren Einsatzstoffen verunreinigt ist (wie Sand aus der Wirbelschicht oder Kalk durch die Entschwefelung im Ofen etc.).
• Eine Mitverbrennung mit anderen Abfallstoffen ist möglich.
5. Literatur
[1] Ewens, H.-P.: Die Klärschlammverordnung 2017, Erfahrungen und Erwartungen zur weiteren Umsetzung aus Sicht des MBU. In Tagungsband 21.–23. Mai 2019, Würzburg, 11. KlärschlammTage
[2] Hansen, H.: Umsetzung der Herausforderungen für Betreiber von Monoverbrennungsanlagen durch die Veränderungen der rechtlichen Rahmenbedingungen
[3] Nebocat, G.: Vertiefende Untersuchung zu den technischen Möglichkeiten der thermischen Klärschlamm-Verwertung in Mecklenburg-Vorpommern. Pöyry Deutschland GmbH, 2016 [4] Six, J.; Lehmann, F.: Übersicht bestehender Kapazitäten zur thermischen Klärschlamm-
behandlung und Einschätzung zum künftigen Bedarf und der Entwicklung der Verbrennungs- kapazitäten. In Tagungsband 21.–23. Mai 2019, Würzburg, 11. KlärschlammTage
[5] Vosteen, B., Dräger R.: Monoklärschlammverbrennung in Etagenöfen, Wirbelschichtöfen und Etagenwirblern. VDI-Wissensforum, Seminar 433625 über Klärschlamm, Tiermehl, Altholz, biogene Abfälle, 12.–13. Februar 2004 München
Parameter Einheit 17.
BImSchV
BVT Neuanlage
erreichte Werte HCl
mg/Nm³
10 < 2 – 6 1 – 3
SO2 50 5 – 30 20 – 32
NOX (SCR) 150 50 – 120 25 – 66
NOX (SNCR) 150 – –
Hg µg/Nm³ 30 < 5 – 30 nicht gemessen
Tabelle 2:
Vergleich der erreichten Rauch- gaswerte mit Grenzwerten der 17. BImSchV und den BVT-An- forderungen an Neuanlagen [2]
Verbrennung
Ansprechpartner
Dr.-Ing. André Tagali Michaelis GmbH & Co. KG Senior Process Engineer Daimlerstraße 4
97209 Veitshöchheim, Deutschland +49 931 359389-81
andre.tagali@michaelis-systems.de
Dipl.-Ing. Bernhard Grimm Michaelis GmbH & Co. KG Geschäftsführer
Daimlerstraße 4
97209 Veitshöchheim, Deutschland +49 931 359389-0
info@michaelis-systems.de
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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
Copyright: Elisabeth Thomé-Kozmiensky, M.Sc., Dr.-Ing. Olaf Holm Alle Rechte vorbehalten
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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