Regenerative Phosphor-Schmelzkonversion von Klärschlamm der Region Nürnberg
Burkard Hagspiel
1. Ausgangssituation und Zielsetzung ...428
1.1. Ziele der Klärschlammverwertung für Nürnberg ...428
1.2. Alternativen der Klärschlammverwertung für Nürnberg ...429
2. Das Fördervorhaben KRN-Mephrec ...430
2.1. Förderpolitische Ziele ...430
2.2. Teilnehmer des Verbundforschungsvorhabens ...430
2.3. Das Bauprojekt ...431
2.4. Versuchsbetrieb ...431
2.5. Bestätigte Vorteile des Verwertungskonzepts ...432
2.6. Nachteilige Faktoren des Verwertungskonzepts ...433
3. Fortschreibung des Klärschlammverwertungsplans Nürnberg ...433
3.1. Optionen für die regionale Klärschlammverwertung ...434
3.2. Anbieter von Phosphorrückgewinnungsverfahren ...436
3.3. Entwicklungsoptionen des Nürnberger Verfahrens P.KON ...436
3.4. Entwicklungsprogramm des Nürnberger Verfahrens P.KON ...438
3.5. Finanzierung ...441
4. Ausblick ...441
5. Literatur ...442 Bei der Abwasserreinigung der Stadt Nürnberg entstehen jährlich etwa 40.000 Mg entwässerter Klärschlamm, der zu einem (noch) günstigen Preis thermisch in Kohle- kraftwerken entsorgt wird. Zusammen mit den regionalen Städtepartnern summiert sich das Schlammaufkommen auf rund 70.000 Mg/a. Für die nähere Region wird eine Menge von über 100.000 Mg/a prognostiziert.
In Rahmen des Forschungs- und Entwicklungsprojekts KRN-Mephrec wurde in den zurückliegenden 4 Jahren das Verfahren der Schmelzvergasung im Schachtofen ent- wickelt und erprobt. Die Technik soll in den kommenden Jahren mit dem Ziel einer
Referenzanlage im Rahmen der BMBF Forschungsinitiative RhePhoR [1] als regene- rative Phosphor – Schmelzkonversion (P.KON) weiterentwickelt werden.
Ziel des Vorhabens ist es, ein den Anforderungen der Verordnung zur Neuordnung der Klärschlammverwertung (AbfKlärVNOV) [2] gerechtes, nachhaltiges und zugleich ökonomisches Abfallverwertungskonzept zu etablieren. Ein regionales Management der Abwasser- und Bioabfallströme ist für die Metropolregion Nürnberg zu erstellen und das ausgewählte Verfahren des Phosphorrecyclings für eine großtechnische Umsetzung zu optimieren. Art, Menge und Qualität der erzeugten Produkte sind so zu gestalten, dass die verschiedenen Interessengruppen aus Politik und Umweltschutz gut bedient werden und gleichzeitig eine Nachfrage der Wirtschaft entsteht. Die großtechnische Umsetzung einer Referenzanlage ist ab 2020 geplant.
1. Ausgangssituation und Zielsetzung
Nürnberg realisiert in seiner Großkläranlage (1,4 Mio. Einwohnerwerte, EW) in Entwicklungsetappen eine neue Abfallerzeugung und -verwertung. Die Erzeugung wird qualitativ und mengenmäßig auf maximalen Energieertrag (Faulgas) optimiert.
Hinsichtlich der Verwertung des Klärschlamms hat sich 2011 im Rahmen eines inter- nationalen Ideenwettbewerbs die Technik der Schmelzvergasung als die überzeugenste und zukunftsträchtigste herausgestellt.
1.1. Ziele der Klärschlammverwertung für Nürnberg
Regionaler Ansatz: Verwertung der örtlichen Biomasse Klärschlamm; Option der energetischen und stofflichen Verwertung stark belasteter städtischer Bioabfälle;
Erschließung des regionalen Klärschlammaufkommens mit Hilfe einer Verbands- gründung ggf. unter Mitwirkung eines privaten Klärschlammhandels zur Einbindung kleinerer Klärschlammproduzenten.
Großtechnische P-Rückgewinnung: Anlagenkapazität > 80.000 bis 100.000 Mg/a;
Technik und Betrieb im Werksbetrieb der Kläranlage integriert; Kraft-Wärme- Kopplung, Eigenstromerzeugung; vermarktbare Erzeugnisse (Mineralsand, Eisenguss, P-Säure, Eisen-III Salz, Zink); keine sonstigen Abfälle; Gesamtrecyclingquote konform zur AbfKlärV (> 50 %).
Qualitätsvolle P-Rezyklate: standortsunabhängige Produktion grüner Phosphorsäure als entscheidender Grundstoff für die Düngemittelproduktion; Optional Aufschluss von Rohphosphaten und P-Rezyklaten mit der erzeugten P-Säure; Alternativ: Verwendung in der Industrie.
Wirtschaftlichkeit und positive ökologische Bilanz: Bau- und Betriebskosten sol- len günstiger sein als das Entsorgungspaket Monoverbrennung mit anschließender Ascheaufbereitung oder Zwischenlagerung; das Verfahren soll effizienter als Nassaufbe- reitung vor Mono-/Mitverbrennung und unabhängig von Mitverbrennungskapazitäten sein; die Gesamtökobilanz soll positiv sein.
1.2. Alternativen der Klärschlammverwertung für Nürnberg
Unter den etwa 45 namentlich bekannten Entwicklungsbestrebungen bei der Phos- phorrückgewinnung aus Klärschlamm zeichnen sich mit Blick auf den Bedarf der Stadt Nürnberg folgende Vorbehalte ab:
• Verfahren zur Erzeugung von Ammoniummagnesiumphosphaten (MAP) errei- chen nicht die Mindestrecyclingquote. Sie sind ferner nur für biologisch abgeschie- denen Phosphor sinnvoll. In Nürnberg besteht kein betriebstechnischer Bedarf nach MAP-Austrag.
• Mit verhältnismäßig großem Aufwand (sehr große zu verarbeitende Stoffmengen) ist eine Phosphorrückgewinnung aus Klärschlamm in der nassen/flüssigen Phase möglich. Sofern die Mindestrecyclingquote und die Pflanzenverfügbarkeit des ext- rahierten Phosphors wirtschaftlich und ökologisch sinnvoll nachgewiesen werden, müsste Nürnberg zusätzlich die Verbrennungskapazität schaffen.
• Mit chemischen Verfahren kann Phosphor aus konventioneller Klärschlamma- sche z.B. als Grünsäure extrahiert werden. Das Produkt ist sinnvoll. Der chemisch- technische Aufwand ist aufgrund der gewaltigen Verarbeitungsmengen jedoch un- verhältnismäßig hoch und ökologisch fragwürdig. Die darüber hinaus erzeugten Abfälle sind nicht wünschenswert.
• Die genannten Verfahrensentwicklungen brauchen vorausgehend eine Monover- brennung, um die Aschen bereitzustellen, oder es ist eine Verbrennung nachzu- schalten, um den Abfall unschädlich, bzw. die Abfallmenge kleiner zu machen. Die Abfallrestmenge ist dennoch groß und problematisch.
• Das Ende der Mitverbrennung in (Braun)Kohlekraftwerken ist mit Blick auf das Ende der Kohleförderung in Deutschland und der bedrohlichen Entwicklung der Karbonisierung politisch ausgemacht. Die Mitverbrennung in Zementwerken ist strikt limitiert und bei der Vorgabe höherer Umweltstandards rasch ein Problem.
• Die Technologie der Pyrolyse und Vergasung (z.B. im Drehrohrofen) scheint trotz der schlechten Betriebserfahrungen bei steigenden Entsorgungspreisen wirtschaft- lich valide. Es bleibt aber fragwürdig, ob ausreichende Anteile Phosphor im Produkt Klärschlammaschengranulat verwertbar zurückgehalten werden. Ein positiver Er- trag aus dem Verkauf des Produkts ist nicht absehbar. Es ist vielmehr eine Art Entsorgung kommunaler Schwermetalle und Uran in der Landwirtschaft, die von der Stadt Nürnberg abgelehnt wird. Auf europäischer Ebene ist die Produktion der Verbrennungsaschen wegen der Metallbelastung und der i.d.R. sehr geringen Pflanzenverfügbarkeit unerwünscht.
2. Das Fördervorhaben KRN-Mephrec
Die Validität der genannten Alternativen hat sich in den letzten Jahren nicht entschei- dend verbessert. Im Rahmen des Forschungs- und Entwicklungsvorhabens KRN- Mephrec konnte jedoch das Verfahren der Schmelzvergasung erprobt werden. Für den Test des metallurgischen Verfahrens wurde in Nürnberg eigens ein Schlackeschmelzofen gebaut. Das Vorhaben wurde durch das BMBF im Rahmen der Forschungsinitiative ERWAS (Zukunftsfähige Technologien und Konzepte für eine energieeffiziente und ressourcenschonende Wasserwirtschaft) als Verbundprojekt KRN-Mephrec – Klär- schlammverwertung Region Nürnberg – Klärschlamm zu Energie, Dünger und Eisen mit metallurgischem Phosphorrecycling in einem Verfahrensschritt [3] großzügig unterstützt.
Das Projekt startete November 2014 und wurde im Oktober 2017 nach halbjähriger Verlängerung abgeschlossen.
2.1. Förderpolitische Ziele
Ziel des Fördervorhabens war die Erprobung eines neuen Verfahrens zur Steigerung der Energieeffizienz, die Verbesserung der Eigenenergienutzung, sowie die stoffliche Nutzung der erzeugten Abfälle aus der Wasserwirtschaft. Im Rahmen des Projekts konn- ten die Basisdaten für die Bewertung des metallurgischen Phosphorrecyclings und des daraus entwickelten Schmelzkonversionsverfahrens ermittelt und ausgewertet werden.
• Nachweis der Kupolofentechnologie für entwässerten Klärschlamm im Maßstab von etwa 1 zu 5:
– Klärschlamm (-Asche) statt Metallschrott, – Prozessstabilität und Kontinuierlichkeit, sowie – einwandfreier Umgang mit dem Gasaufkommen;
• Nachweis verwertbarer Produkte (Metalle, Schlacke und Gas);
• wirtschaftliche Betriebsweise;
• volkswirtschaftlicher Nutzen und standörtlicher Vorteil bei einer Errichtung im Klärwerk;
• Nachweis und Bestätigung eines ökologischen Vorteils.
2.2. Teilnehmer des Verbundforschungsvorhabens
• Klärschlammverwertung Region Nürnberg GmbH (Infrastruktur, Brikettierung, Beschickung, Versuchsbetrieb, Koordination)
• Standardkessel Baumgarte GmbH, Bielefeld (Ofen- und Abgasanlage)
• Innovatherm GmbH, Lünen (Klärschlammascheversuche)
• Fraunhofer Umsicht, Sulzbach-Rosenberg (Untersuchung Synthesegas)
• Institut für Energie und Umwelttechnik, Heidelberg (Ökobilanzen)
• Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (Untersuchung Schlacke- produkte)
• Universität der Bundeswehr München (Integration im Werksprozess)
2.3. Das Bauprojekt
Die Konzeption des Versuchsreaktors geht auf Angaben des Verfahrensgebers Ingitec GmbH, Leipzig zurück. Zwischen dem Lizenzgeber, dem Wirtschaftspartner Standardkessel Baumgarte GmbH und Nürnberg gibt es Nutzungsvereinbarungen des patentierten Verfahrens Mephrec. In einer Erklärung der Ingitec GmbH distanziert sich der ursprüngliche Verfahrensgeber vom Forschungsprojekt KRN-Mephrec. Er stellt für sich fest, dass das realisierte Verfahren in Nürnberg weiterentwickelt wurde und damit nicht dem Patent Mephrec entspricht [4].
Die Versuchsanlage Nürnberg wurde in einem engen Zeitfenster nach 17. BImSchV genehmigt und realisiert und musste wegen anhaltender Probleme mit der Leistung der vom Wirtschaftspartner installierten Abgasbehandlungsanlage umgebaut werden.
Um einen genehmigungsfähigen Versuchsbetrieb aufzunehmen, hätte die Anlage technisch weitergehender umgebaut und erweitert werden müssen. Hierüber kam keine Einigung mit dem Wirtschaftspartner zustande. Der Regelbetrieb wurde deshalb nicht aufgenommen.
2.4. Versuchsbetrieb
Die Rekrutierung von geeignetem, erfahrenem Betriebspersonal ist eine besondere Herausforderung. Die erforderlichen Erfahrungen mussten zu wesentlichen Teilen selbst erarbeitet werden. Die wissenschaftlichen Auswertungen wurden auf Grundlage einer Serie von Betriebsversuchen erstellt. Die Möglichkeiten zur Rückgewinnung der Wertstoffe wie Phosphor und Metalle wurden durch 14 Schmelzversuche in der Pilot- anlage grundsätzlich geklärt. Insgesamt wurden etwa 25 Tonnen Klärschlammbriketts eingeschmolzen.
Die geplante Optimierung war zur Projektlaufzeit nicht möglich. Die Analysen der Wissenschaftspartner dauerten länger als erwartet, sodass Erkenntnisse aus Vorversu- chen vor der nächsten Schmelzfahrt regelmäßig keinen Eingang in die Versuchsplanung fanden. Durch das häufige An- und Abfahren der Anlage und die Notwendigkeit des Aufheizens der Nachbrennkammer, musste Flüssiggas eingesetzt werden, um die nach der 17. BImSchV geforderten Temperaturen in der Nachbrennkammer zu erreichen und halten zu können. In einem kontinuierlichen Betrieb wäre nur ein Zündbrenner im Einsatz.
Die Durchführung des vorgesehenen Dauertests war im vorhandenen Zeitrahmen trotz der Nachrüstung eines Rauchgaskühlers nicht möglich. Entsprechend konnten auch nicht alle für die Auslegung einer Großanlage notwendigen Daten und Informationen bis zum Ende der Fördermaßnahme gewonnen werden.
Die Unzulänglichkeiten der Rauchgasanlage wurden Anfang 2018 fachgutachtlich untersucht. Nach einem Umbau und einer Erweiterung der Rauchgasbehandlungsan- lage wird der Dauerbetrieb und die Optimierung der Verfahrensweise im Sinne des Betreibers möglich. Der Umbau ist in Planung.
2.5. Bestätigte Vorteile des Verwertungskonzepts
Die wesentlichen Vorteile des Verfahrens der Schmelzkonversion im Sinne der förder- politischen Ziele wurden trotz der technischen Begrenzung bestätigt:
• Minimierung der Klärschlammtransportwege mit signifikanter Reduzierung des Kraftstoffbedarfs, der CO2-Emissionen und des Lärms;
• die eingesetzten, biogenen Ausgangsstoffe wie Klärschlamm oder andere P-haltige Abfälle werden durch Trocknung und Brikettierung effektiv zu lagerbeständigen Zwischenprodukten umgewandelt (Briketthandel und -lagerung statt stinkendem Klärschlammtransport);
• die Erhöhung der Energieeigenversorgungsquote des Klärwerks ist evident, der Energiebeitrag ist vergleichbar mit dem einer konventionellen Monoverbrennungs- anlage;
• die Wertschöpfung reduziert sich nicht nur auf eine mit hohem Betriebsaufwand und ausschließlich auf den Zweck hoher Phosphorrecyclingquoten maximierte Verfahrensprozesse;
• massemäßig wird als Hauptprodukt Schlackegranulat erzeugt, das aufgrund seiner Schadstofffreiheit als Bau(zuschlag)stoff oder als Düngemittelzuschlagstoff (5 bis 6 % P2O5) verwendet werden kann, das Produkt ist chemisch-physikalisch sehr stabil, einfach und preiswert zu lagern und zu transportieren, für die Weiterverar- beitung bedarf es nur einfacher mechanischer Verfahren (Mahlen);
• im Vergleich zu anderen Verfahren ist die Rückgewinnung des Phosphors und der Schwermetalle effizient, da diese Stoffe im Flugstaub mit einen P-Anteil von über 20 % besonders hoch aufkonzentriert vorliegen und deshalb effektiv kon- ventionell weiter zu verarbeiten sind, gegenwärtig wird angenommen, dass die P-Recyclingquote über diesen Austragsweg mit 50 % gesichert ist;
• aus dem Staub der Abgasbehandlung kann Phosphor extrahiert und als 75 % Phos- phorsäure aufbereitet werden kann, der im Staub ebenfalls aufkonzentriert Zink kann elektrolytisch zurückgewonnen werden, die erzeugten Rohstoffe sind markt- gängige Produkte der Industrie und bedürfen nicht des Aufbaus neuer Vermark- tungsketten;
• Abfall wird vermieden, es entstehen insbesondere keine zu entsorgenden Klär- schlammreste wie bei den anderen thermischen Verfahren (z.B. als ausgelaugte Klärschlammasche), es wird kein Produkt mit hohen und deshalb problematischen Schwermetallfrachten erzeugt;
• mit Blick auf den Weltmarktpreis von Dünger kann als weitere Option auf die Dün- gerproduktion zugunsten der Herstellung von Industriesäure verzichtet werden, wird das erzeugte Schlackegranulat dagegen gemahlen und mit der hergestellten P-Säure hernach aufgeschlossen, kann im Bedarfsfall ein nahezu vollständig pflan- zenverfügbarer konventioneller aber schadstofffreier Dünger mit einer Gesamt- recyclingquote von > 80 % bereitgestellt werden.
2.6. Nachteilige Faktoren des Verwertungskonzepts
Vermindert wird der Brutto-Energiegewinn durch die erforderliche, energieintensive Trocknung und Brikettierung des Klärschlamms. Der für die Schmelzkonversion not- wendige Einsatz an fossilen Energieträgern (Gießereikoks, Flüssiggas) kann aber aller Voraussicht nach bei einer Großanlage im Dauerbetrieb deutlich reduziert werden.
Vom Ideengeber wurde die Komplexität des Umgangs mit den thermischen Prozes- sen der Klärschlammvergasung unterschätzt. Um den sicherheitstechnischen und emissionsschutzrechtlichen Anforderungen gerecht zu werden, ist die Technik der Ofenbeschickung und Rauchgasbehandlung konstruktiv anspruchsvoll. Es bedarf aufwändigere Lösungen als bei der konventionellen Metallurgie.
Die Theorie des Verfahrensgebers, nach der das Synthesegases als Brenngas für einen Verbrennungskolbenmotor eingesetzt werden kann, scheidet aufgrund der sehr hohen Teer- und Staubfrachten aus. Im Fall einer Abreinigung des Gases reduziert sich der Heizwert des Gases infolge der Teerabscheidung, sodass der Mindestenergiegehalt für einen Motorbetrieb nicht mehr erreicht würde. Eine konventionelle aber im Wirkungs- grad geringere Stromerzeugung mittels Dampferzeugung ist natürlich dennoch sinnvoll.
Die vom Lizenzgeber versprochene P-Anreicherung in der Schlacke liegt weit unter den Erwartungen. Die Anreichung reicht nur als Düngerzuschlagstoff aus. Wie bei allen thermischen Verfahren, findet sich in den Produkten auch Uran. In der Glasstruktur ist es fest eingebettet. Eine relevante Schwermetallanreicherung und der Austrag über die Eisenschmelze sind entgegen den Ankündigungen des Verfahrensgebers nicht festzustellen.
Ebenfalls nicht berechnet und deshalb stark unterschätzt ist die erzeugte Staubfracht nach Verbrennung des Produktgases. Die hohen Phosphorkonzentrationen im Staub des Abgases kommen im Entwurf des Verfahrens nicht vor, sind aber nach heutigen Erkenntnisse nachvollziehbar.
3. Fortschreibung des Klärschlammverwertungsplans Nürnberg
Städte mit bereits aufgebauter Infrastruktur im Abfallbereich bzw. zur Verbrennung von Klärschlamm erneuern aus naheliegenden politischen und genehmigungsrecht- lichen Gründen ihre Anlagen und warten risikolos ab, ob sich ein kombinierbares Verfahren zur Phosphorrückgewinnung entwickelt. Die Strategie ist vernünftig:
die thermische Verwertung gewährleistet zunächst die erwünschte Entsorgungssicher- heit. Bis sich das P-Recycling am Markt wirtschaftlich etabliert, vergeht die Zeit fast einer Abschreibungsperiode.
Kommunen ohne solche Entsorgungskapazitäten und ohne Erfahrungen mit der thermischen Klärschlammbehandlung, erwarten von privaten Investoren und der Bundesregierung, dass diese in Vorlage treten und geeignete Verfahren entwickeln (lassen), die adaptiert werden können. Eigenes Know-how und Personalkapazitäten aufzubauen, ist in aller Regel zu aufwändig.
Die Bundesregierung hat den Umstand erkannt und will deshalb die Realisierung von regionalen Leuchtturmprojekten im großtechnischen Maßstab mit hohen Fördersum- men voranbringen. Das neuaufgelegte Förderprogramm Regionales Phosphor-Recycling (RePhoR) im Rahmen des Förderprogramms Forschung für Nachhaltige Entwicklung (FONA³) wurde mit beträchtlichen Fördersummen ausgestattet.
Gefördert wird zunächst aber nur die Erstellung des regionalen Phosphor-Recycling- konzepts mit dem Ziel, darauf aufbauend ein Großprojekt ab 2019 zu fördern. Die Stadt Nürnberg hat sich mit dem Anschlussprojekt regenerative Phosphor Schmelzkonversion (P.KON) beworben.
3.1. Optionen für die regionale Klärschlammverwertung
Der regionale Bedarf einer Klärschlammverwertungsanlage in der Metropolregion Nürnberg ist evident. Den Zeitplan für die Umsetzung der organisatorischen und technischen Lösung zur Verwertung des Klärschlamms gibt die AbfKlärV vor. Nach heutigen Erkenntnissen müsste für den Fall, dass eine Schmelzkonversions-Anlage errichtet werden soll, mit den Planungen spätestens 2023 begonnen werden. Wenn Nürnberg den Zuschlag gemäß Förderprogramm RePhoR erhält, muss eine vorläufige Entscheidung für eine Großanlage bereits 2019 fallen und spätestens Ende 2019 sind die Planungen zur Umsetzung zu beginnen um bis Ende 2024 mit einer Großanlage in Betrieb gehen zu können.
Sofern bis Mitte 2019 ein überzeugendes Umsetzungskonzept vorliegt, darf Nürnberg auf eine gute Förderquote hoffen. Die Stadt kann mit dem Pilotprojekt KRN-Mephrec nachweisen, dass sie die Kompetenz und den Willen hat, das anspruchsvolle Projekt zu stemmen. Der Wettbewerb vollständiger Verwertungskonzepte, die nicht alleine sich um Phosphorrecycling, sondern um die gesamte Abfallkette bis zur Anwendung der Erzeugnisse kümmern, sind noch die Ausnahme.
Bild 1: Potenzielles Einzugsgebiet einer Verwertungsgroßanlage in Franken (Nach Daten des Bay. Landesamt für Statistik u. Datenverarbeitung, 2016)
0 10 20 30 4050 km
67 772 (75 662) Mg KS TS/aMonoverbrennung
22 417 Mg KS TS/aZementwerk Regionale Klärschlammmengen
100 km Radius: 96 500 Mg KS TS/a 150 km Radius: 213 800 Mg KS TS/a 3 800 Mg KS TS/aKohlekraftwerk
Müllheizkraftwerk 20 289 (9119) Mg KS TS/a
Regierungsbezirke
100km
150km
3096 2308
1653 1534
2074
2035 3145
2187 1437
1627
1365
2527
825 3035
1887 1133
24614
31759 20974
85204 63074 1114
3815
1418 1507 1500
1077
1545 2319
2466 1552
2973
4333
1998
1765
789
1757
2359
2645
3857
2117 2213 670
3370
1852 6603 –––
8704 2819 1640
24225 3538
534 2976
601 2132 9715 2866
3318 1768 8015
3042 1431 1359
1533
1566
2081 2529
2334 3361
1980 4226
2170 3083
1670 2087
1572 1874
1876
1704 1514 1639 2401
1850
1083 2622
2092 3409 1142
2649
2528
2047 2219 1794
1343
2222 2236
3072
4169
3256
1100 (28000) Straubing
29356 Altenstadt 5358Steinhäule
5596Gendorf 23073
(34252) München 321Schweinfurt
Karlstadt 15291
Burglengenfeld 3972
Dinkelsbühl 3289 (0)
Rohrdorf 305 Harburg
2849
Bamberg 2820
Nürnberg
(28000) Schwandorf
14
Ingolstadt 2250
München 11179 (0)
Zolling 3800 (0)
Geiselbullach 493 Würzburg 1821
Coburg 1400
3.2. Anbieter von Phosphorrückgewinnungsverfahren
Die Bereitschaft von Wirtschaftspartnern oder größeren Kommunen, sich mit hö- herem personellen und/oder kapitalmäßigem Engagement an der Neuentwicklung von Verfahren aktiv zu beteiligen, ist verhalten. Die Investitionsbereitschaft in neue Technologie ist aufgrund der unsicheren Lage und Zukunftsaussichten sowohl in der privaten Wirtschaft international, als auch bei den Städten national gebremst.
Die Branche der deutschen Anlagenbauer wurde im zurückliegenden Jahrzehnt auf- grund der schlechten innerdeutschen Nachfrage stark konsolidiert und internationali- siert. Die aktuelle Arbeitsauslastung ist besonders aufgrund der starken außerdeutschen Konjunktur besonders hoch. Die Firmen müssen auch bei konventionellen Anlagen einen hohen Eigenanteil an der Sicherung der Leistung garantieren. Die Erwartungen an die wirtschaftliche Entwicklung in Deutschland ist hingegen begrenzt. Der inter- nationale Bedarf zum Recycling ist noch nicht entwickelt. Nürnberg ist deshalb bereit, einen hohen Eigenanteil an der Entwicklung zu leisten.
3.3. Entwicklungsoptionen des Nürnberger Verfahrens P.KON
Aus Sicht Nürnbergs hat das Verfahren der Schmelzkonversion gute Aussicht, mittel- fristig als Alternative zur Monoverbrennung umgesetzt zu werden, da es die Vorteile konventioneller Technik bündelt und weil es weltweit viele gute Erfahrungen mit Schlackeöfen gibt. Mit Blick auf über 50 große Schmelzöfen hat sich besonders auch die Verschlackung von kommunalen Abfällen seit Jahrzehnten bewährt. Neu ist aber das Konzept in Verbindung mit P-haltiger Biomasse und die Rückgewinnungsmöglich- keit des Phosphors aus dem Staub. Die Masse der übrigen Klärschlammkomponenten werden gleichzeitig und kostengünstig als granulierte Schlacke mineralisiert.
Die Schmelzkonversion ist unter ökologischen und ökonomischen Gesichtspunkten die Alternative zur konventionellen Monoverbrennung:
• Die Technik ist umsetzbar. Der Betrieb ist bei korrekter Wahl der Anlagenkom- ponenten zuverlässig. Die Betriebsweise hat sich in ähnlicher Prozessweise seit Jahrzehnten großtechnisch bewährt.
• P reichert sich fast schadstofffrei (LAGA Z1.1) in der Schlacke an. Sie ist als Dün- gemittelzuschlagstoff verwertbar. Sie kann aber auch vorteilhaft als Baustoff ver- marktet werden.
• Das Verfahren weist eine P-Anreicherung im Flugstaub von > 20 % auf. Das ist eine um das 5 bis 8-fache Konzentration im Vergleich zu KS-Asche. Mittels konventi- oneller Solventextraktion kann der Staub mit einem Wirkungsgrad von > 95 % effizient zu 75-prozentiger Phosphorsäure aufbereitet werden. Die P-Rückgewin- nungsrate liegt damit insgesamt über 50 %.
• Die Energiebilanz ist vergleichbar zur Monoverbrennung. Im Gegensatz zur Ver- brennung werden die Produkte aber nicht zu Abfall, sondern zu marktgebräuchli- chen Rohstoffe konvertiert.
Ein Schlackeschmelzofen ist nicht für alle Abfallarten geeignet und erfordert eine auf- wändigere Vorbehandlung des Einsatzgutes (Trocknung, Brikettierung). Zusätzlich ist durch den Einsatz von Gießereikoks eine erhöhte CO2-Emission zu bewerten. Der Koks ist jedoch wesentlich schadstoffärmer als Kohle der Kraftwerke. Der erzeugte Strom ist nicht schlechter zu bewerten als der aus konventionellen Kraftwerken.
Bild 2: Energiebilanz Klärschlamm-Schmelzkonversion (Großanlage - 100.000 Mg/a KS 28 % TS;
3.000 Mg KS TS/h)
Gießereikoks 3.300 kW Brenngas (Zündbrenner) 200 kW
Eisen 30 kW Schlacke 500 kW Kühlung 520 kW
Energieeintrag Biomasse, Koks 12.600 kW KS-Konversion Gas, Schlacke, Eisen 1.050 kW
Syngasverbrennung Abgasbehandlung 1.750 kW
Dampfverwertung Stromerzeugung 9.800 kW
Strahlung 150 kW Strom Netzeinspeisung 660 kW Wärme 5.300 kW Bandtrockner Wärme 2.900 kW Hydrolyse
P-Stäube 40 kW Rauchgas- 550 kW kondensat Strahlung 330 kW
Abgas 830 kW
Brikettierung 240 kW Trocknung 100 kW Dampf+RGR 200 kW Schmelzofen 200 kW Hilfsantriebe 50 kW Dampf-
nutzung
9.800 kW
11.500 kW
Gasbehandlung Dampferzeugung
Schmelzvergasung
Klärschlamm 9.100 kW (brikettiert, 93 %TS)
3.4. Entwicklungsprogramm des Nürnberger Verfahrens P.KON
Vorprojekt
Um über den Bau einer Großanlage entscheiden zu können, sind Optimierungen und einige weitere Tests des Verfahrens notwendig. Das Abgas aus der Nachverbrennung weist hohe Stickoxid- und Schwefelemissionen auf. Vor einem Weiterbetrieb der be- stehenden Versuchsanlage ist deshalb die Rauchgasreinigung für weitere Versuche und für den erforderlichen Dauerbetrieb nachzurüsten. Für den weiteren Versuchszeitraum von etwa einem halben Jahr ist neben den Investitionen in die Rauchgasbehandlung auch der nochmalige Aufbau einer Betriebsmannschaft erforderlich. Zu klären sind die Fragen:
• Ist die weitere Anreichung im Staub durch Veränderungen in der Technik oder Modifikation der Betriebsweise möglich und sinnvoll? Ist alternativ oder ergänzend eine schadstoffarme Anreicherung in der Schlacke umsetzbar?
• Kann der Austrag von Phosphor über das erzeugte Eisenmetall z.B. durch Mini- mierung des Eisenanteils im Klärschlamm unter 10 % des Gesamtdargebots an Phosphor reduziert werden?
• An welchem Ort und mit welchen Partnern zusammen soll die Aufbereitung der Phosphorsäure (75 %) und die Vermarktung der Produkte in Deutschland groß- technisch umgesetzt werden?
• Inwiefern kann die Technik einfacher, effizienter und betriebstechnisch rationeller gestaltet werden? Wie ist die Abgasbehandlung zu konstruieren, um die Belas- tung des innerstädtischen Standorts kostengünstig und über die Standards nach BImSchV hinaus zu minimieren?
• Wie wird die Investition genehmigungstechnisch und wirtschaftlich gesichert?
Welche kommunalen und privaten Partner werden für das Großvorhaben einge- bunden?
Biomasseneingang
Der vorgesehene Standort der Demonstrationsanlage liegt verkehrsgünstig in zentraler Lage der Metropolregion. Der geplante Standort im Großklärwerk Nürnbergs sichert im Verbund der Infrastruktur (Fernwärme, Abwasser- und Prozesswärmeaufbereitung, Kraft-Wärmekopplung) die energiemäßige Integrität. Der größte Teil der zu verarbei- tenden Biomasse wird der Anlage unmittelbar zugeführt. Die Logistik der weiteren Biomasseannahmen und sonstigen Rohstoffe erfolgt auf kurzem Weg.
Aufbereitung Ausgangsstoffe
Die Kläranlage liefert stabilisierten und entwässerten Klärschlamm mit 28 % TS. Er wird gegebenenfalls durch Schlämme verschiedenster Herkunft ergänzt, im Zwischenlager homogenisiert und dann getrocknet. Co-Fermentate (z.B. aus Thermodruckhydrolyse) ergänzen bedarfsweise die Biomasse.
Nach der Trocknung (90 bis 95 % TS) erfolgt die Pufferung und Weiterverarbeitung zu Briketts. Das Trockengut kann durch bereits vorgetrockneten Klärschlamm des Wirtschaftspartners ergänzt und mit Zuschlagstoffen, gegebenenfalls auch KS-Aschen und anderen P-reichen Stoffen wie Tiermehl ergänzt werden. Die stabilen Briketts sind haltbar und bilden einen guten Puffer bei Prozessunterbrechungen wie Revisionen.
Konversion der KS Inhaltsstoffe durch Schmelzvergasung Die Beschickung des Ofens erfolgt in Chargen. Im Ofen vergasen die Kohlenwasser- stoffe. Gestützt durch die Kokssäule schmelzen die Briketts ab etwa 1.300 bis 1.800 °C.
Die Metalle werden durch den Koks reduziert und verlassen den Ofen zusammen mit der Schlacke oder beim Eisenanstich. Die Schlacke wird mit Betriebswasser gra- nuliert. Das Brenngas der Vergasung ist teerreich und soll deshalb zur Minimierung der Aufbereitung direkt verbrannt werden. Die Abluftreinigung ist unter Maßgabe strenger Grenzwerte aufwändig, besonders hinsichtlich der Stickoxidvermeidung. Der Dampfkreislauf treibt Turbinen zur Stromerzeugung an. Die Restmengen versorgen die Trocknung, die Schlammfaulung oder den Nahwärmeverbund.
Produktweiterverarbeitung Der im Flugstaub konzentrierte Phosphor und die Schwermetalle sollen nach dem Solventverfahren zurückgewonnen werden. Eine Steigerung des P-Anteils ist nach Ertüchtigung der Abgasanlage denkbar. Die Solventextraktion von P wird in der Ver- suchsphase von der Stiftung ZAR (Schweiz) in Partnerschaft mit Técnicas Reunidas (Spanien) begleitet. Eine großtechnische Anlage dafür sollte idealerweise an einem zentralen Ort in Deutschland realisiert werden, um die Prozesse großtechnisch zu rationalisieren. Durch die sehr geringen Stoffmengen spielen Verkehrswege eine sehr geringe Rolle. Die Mitverarbeitung von Aschen aus der Monoverbrennung ist möglich.
Produktverwertung Die Verwertung der granulierten mineralischen Schlacke erfolgt über ortsansässige Baustoffrecycling-Firmen oder im Eigenbedarf der Stadt (z.B. für die Grabenverfüllung im Kanalbau).
Mit dem Solventverfahren können neben Phosphor auch Schwermetalle wie Zink und Blei zurückgewonnen werden. Der Eisenguss geht in die Metallhütte. Die Phosphorsäure wird in der Düngemittelindustrie nachgefragt, um wenig pflanzenverfügbare, minera- lische Dünger aufzuschießen. Sie könnte also auch für den vollständigen Aufschluss der erzeugten Schlacke eingesetzt werden. Aus der geringen Restschlammmenge kann optional Eisen III Salz für die P-Fällung der Kläranlage oder weitere Metalle gewonnen werden. Weitere Stoffe und Abfälle gibt es nicht.
Bild 3:Konzeption der Kernkomponenten einer potenziellen Nürnberger Großanlage
Leaching Raffinat- behandl.Abwasser- behandlung Recycling für Metall- hydroxide
Rehagips
Deponie Versatz
Sorption
Schlauch- filter
Nach- erhitzer
BICAR +AK Klärwerk Phosphorfällung
(Dünger) Industrie
Brikettpresse Flugasche KalkhydratBICAR AK
Komplex- bildner
H2SO4 96 %HCL 32% H3PO4 75 % CaSO4
Staub Hydroxid
HCL 17 %
E-FilterZyklon < 300° > 250°
Boiler Puffersilo
Speicher Reaktor
Silo
Pulper
Flash- tank
hydrothermale Entwässerung vom Faulturm
TS 16% TS 2 %
Ofen standb y
Magnet- separator Schlacke Schrott SchrottSchlacke
Schmelzofen
Granulierung
2.000 kW
Schlammhandel Metropolregion Nürnberg
TS 25-30 % phosphorhaltige Asche
Abwasserbehandlung Wirtschaft
sdünger (opt.)
Schlamm aus Biotonnen Nürnberg (Option) Schlamm aus Klärwerk Nürnberg(40.000 Mg/a) (30.000 + X Mg/a)
vom Faulturn Turbinenwasser
Straßenbau Dü
ngefabrik Stahlwerk
Säurerück- gewinnung
reg. Partner Schlamm- handel nat. Partner Aschelieferung Handel
Koks Kalkstein (Hilfsmittel)
Hilfsmittel
Koks Kalkstein Briketts
Brikettspeicher Gattierung
Rohstoffe
DeNOx Katalysator Trinkwasser1
1 Sauberwasser
hydr. Binde- mittel Faulgas / Erdgas
SNCR
SNCR
Speicher und Mischbunker
Kies Diab as
Sauerstofferzeuger
Fe Separ. Solvent- extraktion
HCL Rückgew. Solventextr. HPO34Konzen- tration
H3PO4
Extrahierung Solvent- extraktion
Det.
Synthesegas (Option) G ~
EINGANG Klärwerk
AUSGANG version1 09.09.2018
Klärwerk
Trockner
Zentrifugen FeCl3 40 %O2 N4CH4 N2O
Granulat 93 %TSAsche 97 %TS
3.5. Finanzierung
Für das Vorprojekt zur Weiterführung der Versuche werden Kosten in Höhe von 2,0 bis 2,5 Millionen EUR geschätzt. Der Preis für die weitergehende Erprobung des Konver- sionsverfahrens und die Bereitstellung von abgesicherten Daten zur Bemessung einer Großanlage, ist mit Blick auf die erwarteten Investitionen in Höhe von 50 bis 55 Milli- onen EUR und jährliche Betriebskosten in Höhe von 3 bis 4 Millionen EUR vertretbar.
Die Finanzierung des Vorhabens über die Abwassergebühren einschließlich der Ausgaben für die Entwicklung des Verfahrens wurden der Stadt Nürnberg durch das zuständige Bayerische Staatsministerium ausdrücklich bestätigt.
4. Ausblick
Die Abwasserbranche setzt mit Blick auf die Sicherung der Entsorgungskapazitäten bei der Abfallverwertung bevorzugt auf bewährte (Übergangs-)Technologien wie die Wirbelschichtverbrennung und beobachtet den Markt abwartend. Mit Blick auf die hohen Anforderungen und die damit verbundenen Risiken, sind die Initiativen der Wirtschaft trotz der verschiedenen Ansätze sehr zurückhaltend.
Seit den Anfängen der Phosphorthematik und der Lösungsbemühungen um die knapp werdende Ressource wurden viele Ansätze des Phosphorrecyclings erfunden und getestet. Selten wurden an die Versuche ernsthafte Wirtschaftsanforderungen gestellt, daher sind diese meistens nicht überzeugend.
Die Schmelzkonversion, wie sie in Nürnberg entwickelt wurde, hat positive Alleinstel- lungsmerkmale: das Verfahren verwertet den Klärschlamm zugleich thermisch wie stofflich. Durch die hohen Schmelztemperaturen erfolgt eine echte stoffliche Umwand- lung zu Rohstoffen. In Kombination mit der bewährten Solventextraktion, werden mit sehr geringen Abfallanteilen marktgängige Produkte erzeugt, die verkaufsfähig sind und für die nicht erst ein neuer und zudem bereits gegenwärtig stark übersättigter Düngemittelmarkt für Recyclingprodukte aufgebaut werden muss.
Nürnberg bemüht sich deshalb weiter mit Hilfe der eigenen Projektentwicklungs- gesellschaft Klärschlammverwertung Region Nürnberg GmbH um ein tragfähiges Geschäftsmodell der weiteren Entwicklung einer großtechnischen Lösung für den regional anfallenden Klärschlamm, optional ergänzt mit der Verwertung der städti- schen Bioabfälle.
Die Weiterentwicklung des Verfahrens ist abhängig von einer weiteren Förderung. Die Stadt ist bereit, weitere Investitionen vorzunehmen, wenn geeignete Wirtschaftspart- ner auf das Projekt verpflichtet sind, weitere Fördermittel fließen und weiterhin kein K.O.-Merkmal für ein Aus des Projekts auftritt.
5. Literatur
[1] BMBF: Förderbekanntmachung Regionales Phosphor-Recycling (RePhoR) im Rahmen des För- derprogramms Forschung für Nachhaltige Entwicklung (FONA3). Bundesanzeiger, 2018-03-09 [2] Bundestag: Verordnung zur Neuordnung der Klärschlammverwertung (AbfKlärVNOV), 2017-
09-27
[3] Hagspiel B., et al: KRN-Mephrec – Klärschlammverwertung Region Nürnberg – Klärschlamm zu Energie, Dünger und Eisen mit metallurgischem Phosphorrecycling in einem Verfahrens- schritt. BMBF (02WER1313A) https://bmbf.nawam-erwas.de/de/project/krn-mephrec, 2018 [4] Ingitec GmbH: Stellungnahme des Lizenz-, Know how und Verfahrens-Gebers Mephrec® zum
Abschlussbericht KRN-Mephrec vom 20. April 2018, 2018-06-18
Ansprechpartner
Dipl.-Ing. Burkard Hagspiel
Werkleiter Stadtentwässerung und Umweltanalytik Nürnberg Geschäftsführer Klärschlammverwertung Region Nürnberg GmbH Adolf-Braun-Straße 33
90429 Nürnberg, Deutschland +49 911 231 4520
burkard.hagspiel@stadt.nuernberg.de
Ihr Partner für die
thermische Verwertung von kommunalem Klärschlamm
Doosan Lentjes
Erfahren Sie, wie unsere Technologien Ihnen helfen können, die neuen rechtlichen Vorgaben zur Klärschlammverwertung umzusetzen − kontaktieren Sie uns unter:
Tel: +49 (0) 2102 166 0 Email: DL.Info@doosan.com
Kostensenkung und
Betrieb und Instandhaltung für
PROJEKTMANAGEMENT INFORMATIONSMANAGEMENT
VENTURO
Telefon: +49 (0)30 - 79781828 Telefax: +49 (0)30 - 79781827 VENTURO Ingenieurgesellschaft mbH Curtiusstr. 15
D 12205 Berlin
Niederlassung Düsseldorf Schinkelstraße 29 D 40211 Düsseldorf E-Mail: kontakt@venturo.de
Niederlassung Hamburg Am Sandtorkai 56 D 20457 Hamburg
www.venturo.de 3lba3
3LBA30AA401 3LBA30AA503
0 5 25 75 95 100
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
ISBN 978-3-944310-43-5 Thomé-Kozmiensky Verlag GmbH
Copyright: Elisabeth Thomé-Kozmiensky, M.Sc., Dr.-Ing. Olaf Holm Alle Rechte vorbehalten
Verlag: Thomé-Kozmiensky Verlag GmbH • Neuruppin 2018 Redaktion und Lektorat: Dr.-Ing. Olaf Holm, Elisabeth Thomé-Kozmiensky, M.Sc.
Erfassung und Layout: Janin Burbott-Seidel, Ginette Teske, Roland Richter, Sarah Pietsch, Cordula Müller, Gabi Spiegel
Druck: Beltz Grafische Betriebe GmbH, Bad Langensalza
Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig.
Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmun- gen des Urheberrechtsgesetzes.
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürfen.
Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien, z.B. DIN, VDI, VDE, VGB Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr für Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität übernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gültigen Fassung hinzuzuziehen.
