Metallurgische Rohstoffrückgewinnung aus Klärschlamm und Bioabfällen

(1)

Zukunftsfähige Technologien und Konzepte für eine energieeffiziente und ressourcenschonende Wasserwirtschaft

Sustainable Water Management

Metallurgische Rohstoffrückgewinnung aus Klärschlamm und Bioabfällen

B. Hagspiel, Stadtentwässerung und Umweltanalytik Nürnberg

(2)

Metallurgische Rohstoffrückgewinnung | Hagspiel, SUN Nürnberg 2 / 29

Motivation

Klärschlamm ist Produkt der Zivilisation

• Konstant ca. 10 Milliarden m³ Abwasser /a

• Reinigung mechanisch, biologisch, chemisch (P-Fällung), weitergehend, mit Klärschlammerzeugung

• Verwertungsbedarf für ca. 1,8 Mio t/a (TS) = 7,5 Mio t entwässerter, entgaster, stabiler Klärschlamm

• Bestand:

60% thermisch behandelt

14% unbehandelt in Landbau

26% unbehandelt in Landwirtschaft

• Zukunft (AbfKlärV 2017):

Monoverbrennung ca. 500.000 t TM/a

bodenbezogene Verwertung Kläranlagen GK 1 bis 3 ca. 100.000 t TM/a Mitverbrennung mit vor-/nachgelagerter P-Rückgewinnung ca. 200.000 t TM/a

Kapazitätslücke: mind. 1.000.000 t TM/a

(3)

Motivation

Klärschlamm ist Abfall aus Abwasser und Bioabfällen

• Abfallentsorgung Klärschlamm (Nürnberg 12.000 Mg/a TS)

• Abfallentsorgung Biotonne (Nürnberg 8.500 Mg/a TS) + Rechengut

• Politik + Gesellschaft: Nachhaltigkeit

• Umweltrecht: Prioritäten nach Kreislaufwirtschaftsgesetz:

1 vermeiden 2 stofflich verwerten 3 thermisch verwerten 4 entsorgen

• Gebührenwirtschaft: Wirtschaftsgut auf Angebotsmarkt ca. 1,0 bis 1,5 Mill. EUR/a Kosten

• Energiewirtschaft: Abwasserreinigung und Klärschlammentsorgung mit Energiebedarf

• Immissionsschutz: Abwasserreinigung erzeugt Schadstoffemissionen (> 5 Mio to CO₂/a)

• Hygiene: Unbehandelter Klärschlamm ist gefährlich (Keime, org. Gifte, Schwermetalle)

ZIEL

• KS in der Landwirtschaft vermeiden, aber Rohstoff P in sauberer Form zur Verfügung stellen

• Rohstoff hat einen positiven Wirtschaftswert, keinen negativen Entsorgungspreis

(4)

Motivation P

Phosphorpotenzial in Deutschland [Fricke und Bidlingmaier 2003]

Mg P/a 0

Klärschlamm Schlachtabfälle Grün-, Küchen- und org. Haushaltsabfälle Papierindustrie andere

40 000

20 000 60 000

[Fricke & Bildlingmaier 2003]

Phosphorpotenzial in Deutschland nicht auf Klärschlamm reduziert

(5)

Motivation

Dünger: ca. 770 Mg P₂O₅/a Metalle: ca. 150 Mg /a

Potenzial Rezyklate:

Klärschlammaufkommen + Bioabfälle sind regionale Aufgabe

Rekultivierung Mitverbrennung Gesamt

Nürnberg

(zuzgl. Bioabfall) (+ 8.500 Mg TS)

11.880 Mg TS 11.880 Mg TS (+ 8.500 Mg TS)

Erlangen 1.260 Mg TS 2.520 Mg TS 3.780 Mg TS

Fürth 2.160 Mg TS 1.080 Mg TS 3.240 Mg TS

Schwabach 810 Mg TS 810 Mg TS

gesamt 3.420 Mg TS 16.290 Mg TS 19.710 Mg TS

(28.200 Mg TS)

(6)

Motivation

0 20 40 60 80 100%

1991 1995 1998 2001 2004 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014

Verbrennung

Landwirtschaftliche Verwertung Landschaftsbau, Kompostierung Deponie

Anteil in v.Hd. TS

2025

Ende der Klärschlammentsorgung Deutschland

(7)

Motivation P

0 2 4 6 8 10 12

2005 2007 2009 2011 2014 2016

G ew ic hts an te il P

2

O

5

[% ]

Nürnberg Erlangen Fürth

Schwabach

4,6% = Schwellenwert AbfKlärV 2017 50%

3,9% = Sollwert 50% P-Rückgewinnung 41%

Phosphorgehalt im getrockneten Klärschlamm: Potenzial 50% Eigenbedarfsdeckung

Gesetzlicher Schwellenwert für P-Rückgewinnung = 20 mg/g KS TS) Soll-Rückgewinnungsquote KS ≥ 50%

Soll-Rückgewinnungsquote KS-Asche ≥ 80%

(8)

Verfahrensweiterentwicklung Nürnberg

Primäre Ein- gangsstoffe

Sekundäre

Produkte Strom Wärme Nährstoffe Brennstoff

Strom Brennstoffe Chemikalien sonst. Betriebsmittel Abwasserreinigung

Nürnberg KW1

Rechen Sand- /Fettfang Vorklärung Hochlast-

belebung Zwischen- klärung

O2

Vorein-

dickung Faulung Entwäs-

serung Dampftrocknung

+ Brikettierung

Rücklaufschlamm

BHKW

Klärgas

(Transport)

Abwasser Nürnberg

Regen- entlastung

Schwachlast

-belebung Nach- klärung

Belüftung

Rücklaufschlamm Überschussschlamm

Primärschlamm

Regenentlastung Nürnberg

P-Fällung

Sandfilter

Verwertung ca. 72,0 Mio m³/a

P-Nachfällung

18 300 l/a 34 600 000 KWh/a

20 300 000 KWh/a 19 900 000 KWh/a

Systemgrenze Bilanz

28%

Qt= 2 300 l/s

Pegnitz

Umschlag Co-Vergärung

Nachbe- handlung

12.000 t/a

20.000 t/a

1 500 (2 000) Mg P2O5/a

(9)

Technologie

Metallurgie für Recycling von Klärschlamm

Koks

Abluft Klärschlamm

Heißwind

Sauerstoff Luft

P-Schlacke Eisen

Verfahrensgeber:

Ingenieurbüro für Gießereitechnik

# Mephrec^®

(10)

Vom Experiment zur Fabrik

1/5

Windring

Düsenstock

Schlackeloch Eisenabstich

Schleuse

Heißwind Sauerstoff

Gichtgas (Syngas)

Ofengestell

Auffang- kübel Bodenklappe KS-Brikett

Koks Kalkstein

> 1600°C

400 200 1400 1600 1800 2000 0 mm

600 800 1000

-200 -400 -600 -800 -1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600 3800 4000 4200 4400 4600 4800

1200 1000 800 600 400

4600

°C Tw= 20°C

200°C 400°C

600°C

Düsenebene

-1200 -1400 -1600 -1800 -2000 -2200

Koksbett Schmelzzone

Vorwärmzone Gasraum

Pyrolyse

Arbeitsbereich (Oxidation+Reduktion)

200 – 900 °C 200 – 400°C Nachver- brennung

> 850°C

> 2 sek

Schlackeraum Eisenraum Schüttung Nachverbrennung

800°C

Rekuperation

Technologie

(11)

Klärschlamm trocknen und bevorraten

Anlieferung und Stapelung

Bandtrocknung in Dinkelsbühl

(12)

Klärschlamm trocknen, brikettieren und lagern

Feuchtigkeit 4 % Glühverlust 55 % P

₂

O

₅

-Gehalt 8 %

Festigkeit 55 N/mm² Gewicht 850 g/St

lagerbeständig Brikettierung

Pressvordruck 60 bar Presshauptdruck 180 bar Leistung 485 kg/h

11 Mg/d 6 sec/St Nennleistung 66 kWh Klärschlammtrocknung

Bandtrocknung in

Dinkelsbühl auf 93% TS Bilanz geklärt

Brüdenbehandlung im

KW Nürnberg

(13)

Komponenten gattieren und chargieren

Gattier-

und Chargierhalle

(14)

Konstruktionsentwicklung

Bau Versuchsanlage

Reaktor

Reaktor mit Düsenebene

Nachverbrenner

mit Lufterhitzer

(15)

Gattieren und Chargieren

Chargieren

Verwiegen

(16)

Ofen vorbereiten

Boden herstellen

Koksbett herstellen Anfeuern und

schließen

(17)

Schmelzbetrieb starten

Aufheizen (ca. 2h)

Schmelzen (nach ca. 3h)

(18)

Schmelzbetrieb überwachen

Leitwarte

Düseninspektion

(19)

Schmelzbetrieb überwachen

(20)

Schmelzbetrieb überwachen

Schlackeloch freihalten

Eisenabstich

(21)

Schmelzbetrieb einstellen

Schlacke leerlaufen lassen

Ofen von Restkoks entleeren

(22)

Technologie

Kupolofen

(Schlackeschmelzofen) Maßstab > ca. 600

kg/h

Mit Nachverbrennung und Rekuperation

Gießer eikoks Bicarbonat + Aktivkoks

(hydraulische Bindemittel) KS-Asche

(Lünen)

Strahlungs- rekuperator Luft (aus Atmosphäre)

Harnstoff

P-Granulat Filterstaub E-Filter

(optional) Trocken-

sorption Gewebe- filter

Schacht- Ofen Notkamin

Stützbrenner

> 850 °C

180 °C

Zyklon

Herd- kühlung Abgaskühlung

Mantel- kühlung

Sauerstoff Stickstoff

1800 - 2000 °C

Düsenstock

5500 Nm³/h

Flüssiggas

Nachverbrennung

KS-Granulat 92% TS

Abgas- analyse

Kokillenguss O2Regelstrecke

180 - 250 kg/h

150 °C

Brikettpresse 43 m³

Syngasanalyse 1200 Nm³/h 10 mbar Unterdruck

SNCR

Staubrückführung

Kamin

Schlackefluss

Metallguss Kühlwasser (KA-Ablauf)

Windring

Düsen- kühlung

Kühlwasser- rücklauf

(Vorklärbecken)

Schmelzofen

Kühlung

Rauchgasreinigung

Brikettierung Heißwind

360 kg/h

Formlinge:

ø 80 × 90 mm >1,4 kg/dm³ Teermessung

[UMSICHT]

2,9 t

60 kg/h 4 bar

10 bar 500 Nm³/h 20 t

Notstromversorgung + USV 150 kVA 400V 50Hz

BBS INNOVATHERM

KSVN Trocknung Dinkelsbühl

5×50

Betriebsgebäude

Verantwortungsbereich:

Freilager

43 m³ Trinkwasser (Notkühlung)

Granulierung

>1200 kg/cm²

Waage

Gattierband Gießereikoks

Salz 680 kg/h

34 kg/h 60 kg/h

588 kg/h

Roheisen 10 - 30 kg/h

Zeltlager Freilager

Chargierung Gattierung

Klärschlamm- / KS-Aschebriketts Schleuse

Zement- industrie

Mephrec- schlacke Trockenklärschlamm

Nürnberg

Klärschlamm Nürnberg 28% TS

Freilager Düngeversuche

Betriebsmittel

(Option)

Verschrottung Hilfsstoffe

Brikettlager

Kalkstein

Hubwagen 1000 °C

(23)

Einstufung schädlicher Komponenten der P-Schlacke

Energie-, Stoff- und Ökobilanz

MW relative PTE-Anreicherung [%]

–5 0 10

0

Schwermetall – Phosphor – Wert Beziehung zwischen Schwermetall-Phosphorwert und rel. PTE-Anreicherung im Boden [Möller et al. 2017]

1 2 3 4 5 6 7 8

20 30 40

Komposte

Klärschlämme, Gärreste, Biomüll, Klär- schlammaschen, Rhenania AshDec, TSP

Konverterschlacke, LeachPhos,

Struvite, FKM, Gärreste, Speisereste

Quelle: Möller et al. 2017

Beziehung Schwer-

metall-Phosphor-

wert und relative

PTE-Anreicherung

im Boden

(24)

Einstufung Düngewirkung der P-Schlacke

Energie-, Stoff- und Ökobilanz

Quelle: Möller et al. 2017

Düngeeigenschaften, gemessen in Mineral- düngeräquivalenten

Relative P-effectiveness[% von TSP]

phosphate rock

[n=173]

anim. manures

[n=107]

biosolid bio-P

[n=30]

chemical biosolid [n=125]

struvite

[n=99]

Ca-phophates

[n=19]

untreated ashes

[n=18]

calcined P [n=5]

biochar

[n=17]

mephr

ec-slag

[n=11]

biomass ahses

[n=25]

MBM ashes

[n=29]

meat + bone meal [n=29]

urban compost

[n=18]

urban digestates [n=9]

fish sludge [n=6]

Mg-treated ashes

[n=52]

–25 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225

Mineraldüngeräquivalente [% TS]

[Möller et al. 2017]

(25)

Einstufung Düngewirkung der P-Schlacke

Energie-, Stoff- und Ökobilanz

Düngewirkung im Versuch mit Mais- pflanzen

in Gefäßen

P-Aufnahme Maisspross [mg P / Gefäß ± SE]

ungedüngt

Rohphosphat

Struvit I Struvit II

Ca-Phosphat

Schlacke

Mg - KSAschePyrolysekohle Ca(H

PO2 ⁴) ² a

0 2 4 6 8

de e

a

b b

b

cd

c

Düngewirkung von P-Recyclatdüngemittel bei Mais im Gefäßversuch [Wollmann et al. 2017]

(26)

Einstufung Düngewirkung der P-Schlacke

Energie-, Stoff- und Ökobilanz

Quelle: Verlag für Bodenkultur 1929

Düngeeigenschaften,

gemessen in Kartoffel

äquivalenten

(27)

• Planung + Bau und Probebetrieb 30+6+6 Monate

• Anlagenleistung / Klärschlammdurchsatz TS 0,5 Mg/h

• Investitionskosten brutto 5,2 Mio. EUR

• Laufende Kosten brutto 2,4 Mio. EUR

Verbundprojektkoordination ERWAS Quote^**

Klärschlammverwertung Nürnberg GmbH 90% (<50%)

Wirtschaftspartner + Wissenschaftspartner

Baumgarte Boiler Systems GmbH 50%

INNOVATHERM GmbH 50%

Fraunhofer UMSICHT 100%

Institut Energie- Umweltforschung GmbH 95%

RWTH Aachen 100%

Universität der Bundeswehr München 100%

* Drittmittel und Einnahmen werden angerechnet

** Berücksichtigt nur anrechenbare Projektmittel

Finanzierung

Zwischenergebnisse

(28)

1.2 Ökobilanzierung im Vergleich zu alternativen Entsorgungswegen

2.1 Bereitstellung techn. Komponenten und Nachweis der Technologie 2.2 Bilanzierung Mephrec

und Verfahrenskette 2.3 Einbindung Verfahrenskette

in die Kläranlage 2.4 Verwertungskonzept für

entstehendes Synthesegas 2.5 Ökobilanzierung

Verfahrenskette

3.1 Erprobung alternative Einsatzstoffe (Klärschlamm-Asche)

3.2 Qualität recycelter Phosphate 3.3 Vergleich mit anderen

Recycling-Verfahren

3.4 Regionales Vermarktungskonzept für recycelten Phosphor

4.1 Auswertung und Zusammenstellung Ergebnisse

4.2 Verwendungsnachweis Projektmittel Projektabschluss

5 Projektbegleitung 1.1 Regionales Energie- und

Stoffstrommanagement X

X

X X X X

X X

X X X

X X

X

Regionales Ver- wertungskonzeptEntwicklung der VerfahrenskettePhosphor- RecyclingAuswertungProjekt- begleitung ifeu, Heidelberg INNOVATHERM KSVN GmbH ISA RWTH Aachen BBS GmbH Bielefeld UniBW, München

Fraunhofer UMSICHT 2014 2015 20162013

X

beteiligt Projektlaufzeit: 1. November 2014 bis 31. Oktober 2017

federführend

Verknüpfung Teilaufgaben Meilenstein

Entwurfs- und

Genehmigungsplanung BImSch- und

Baugenehmigung Ausschreibung / Vergabe

technischer Komponenten Bau Pilotanlage

X

Januar JuniMaiAprilMärzFebruar DezemberNovember

JuliJuniMaiAprilMärzFebruar DezemberNovemberOktoberSeptemberAugustJuliJuniMaiAprilMärzFebruarJanuar DezemberNovemberOktoberSeptemberAugustJuliJuniMaiAprilMärzFebruarJanuar

DezemberNovember DezemberNovember

SeptemberAugustJuli September

Januar Oktober

August

Oktober

2017

1 3 4 5 6 7

Vorprojekt

2

Kickoff Genehmigung Auftragsvergaben Spatenstich Erfolgreicher Funktionstest (12.07.16)

12.7. 21.10. 21.3.

25.7. 18.1. ca. 1.8.

18.12. 2.6. 14.11. 19.1. 19.8. 8.10. 22.3.

Einweihung Umbau MephrecreaktorFunktionstests Umbau Abgasbehandlung Aufnahme Versuchsbetrieb

8 Dauerbetrieb KS-Brikett und KS-Asche-Brikett Ergebnispräsentation E

ca. 10.11.

Weitere Terminplanung

Netzplan

(29)

Zukunftsfähige Technologien und Konzepte für eine energieeffiziente und ressourcenschonende Wasserwirtschaft

Sustainable Water Management

Stadtentwässerung und Umweltanalytik Nürnberg

Adolf-Braun-Straße 33, 90429 Nürnberg

Ausgangsstoffe: Flexibel/robust: Mit Organik –> Syngas. Ohne Organik Energiebedarf Koks Technik: Offenbar grundsätzlich geeignet, Verfahren zu bestätigen

Betrieb: Herausforderung Praktikabilität und betriebliche/personelle Integration

Preis: Kritische Faktoren: Brikettierung, Syngasgewinnung/Gasaufbereitung, Personal Vergleichbar Monoverbrennung + Deponierung

Produkt: Verlängerung Wertschöpfungskette mit Abfall als Teil der Abwasserwirtschaft

Dank an:

Burkard Hagspiel

+49 (0)9 11 / 231 45 20

klärschlammverwertung.nuernberg.de