Symposium Zukunftstechnologien – Nutzung von biogenen Sekundärrohstoffen Saarbrücken, 23. April 2015 Thermische Verwertung von Klärschlamm Phosphatrückgewinnung aus Aschen Ludwig Hermann Agenda • Wer ist Outotec • Motivation • Grundlagen und Verfahren • Produkte und Ökobilanz • Schlussfolgerung 2 © Outotec – All rights reserved April 2015 Thermische Verwertung von Klärschlamm - Phosphatrückgewinnung aus Aschen Ein Jahrhundert kumulierter Expertise in - nachhaltiger Nutzung der natürlichen Ressourcen der Erde - Aufbereitung und Verarbeitung von Mineralen und Metallen 3 © Outotec – All rights reserved April 2015 Thermische Verwertung von Klärschlamm - Phosphatrückgewinnung aus Aschen Lokale Betriebe, globale Präsenz Sales 1.9bn EUR in 2013 4,855 employees in 2013 R&D, sales and service centers in Deliveries to more than 27 80 countries countries Experts of over 60 nationalities Outotec R&D, Verkaufs- und Service Center Outotec Erzeugung/Assemblage Ausgedehntes Netzwerk von Lieferanten mit etablierten Geschäftsbeziehungen 4 © Outotec – All rights reserved April 2015 Thermische Verwertung von Klärschlamm - Phosphatrückgewinnung aus Aschen Agenda • Wer ist Outotec • Motivation • Grundlagen und Verfahren • Produkte und Ökobilanz • Schlussfolgerung 5 © Outotec – All rights reserved April 2015 Thermische Verwertung von Klärschlamm - Phosphatrückgewinnung aus Aschen Energie und Nährstoffe im Abwasser Jeder, an eine moderne Kläranlage angeschlossene Bürger, hinterlässt jährlich im Durchschnitt: • 27,5 kg Klärschlamm mit rund 156 kWh Energie • 1,2 kg Phosphat (als P2O5 im Abwasser) • 3,2 kg Stickstoff (als N im Abwasser) Quelle:: Reichel, M., 2015 Energie und Nährstoffe können effizient verwertet werden, wenn • Klärschlamm in modernen Monoverbrennungsanlagen mit angeschlossener P-Rückgewinnung verbrannt wird 6 © Outotec – All rights reserved April 2015 Thermische Verwertung von Klärschlamm - Phosphatrückgewinnung aus Aschen Phosphor = essentieller, unersetzlicher Baustein des Lebens Ohne Phosphor gibt es keine Nahrungsmittel! 2014 nimmt die Europäische Kommission Phosphor in die Liste der 20 kritischen Rohstoffe auf. Pflanzennährstoff Quelle: Kabbe, C., 2012 7 © Outotec – All rights reserved April 2015 Thermische Verwertung von Klärschlamm - Phosphatrückgewinnung aus Aschen Aber…………..Im Überfluss und im Wasser ist Phosphor, wie Nitrat, ein Schadstoff 8 © Outotec – All rights reserved April 2015 Thermische Verwertung von Klärschlamm - Phosphatrückgewinnung aus Aschen Wasserqualitäts-Status in den EU Staaten ( European Environmental Agency [EEA], 2012) 9 © Outotec – All rights reserved April 2015 Thermische Verwertung von Klärschlamm - Phosphatrückgewinnung aus Aschen Phosphatkonzentration in Süßwasser, global Quelle: Petra Hutner nach Vörösmarty et al. 2010 10 © Outotec – All rights reserved April 2015 Thermische Verwertung von Klärschlamm - Phosphatrückgewinnung aus Aschen Agenda • Wer ist Outotec • Motivation • Grundlagen und Verfahren • Produkte und Ökobilanz • Schlussfolgerung 11 © Outotec – All rights reserved April 2015 Thermische Verwertung von Klärschlamm - Phosphatrückgewinnung aus Aschen Verfahren für Energie- und Nährstoffrecycling Relevante sekundäre P-Flüsse in den EU28 Klärschlamm 10´000´000 t TS 750´000 t P2O5 Stallabfälle 140´000´000 t DM 5´000´000 t P2O5 Schlachtabfälle (cat. 1) 7´000´000 t DM 450´000 t P2O5 Produktgas Strom Dampf Biogas 3-8% TS I. Anaerobe Faulung N + NK Dünger 45-95% TS 25-30% TS II. Entwässerung III. Trocknung IV. Vergasung Verbrennung Notwendige Prozessschritte um Asche als ein Phosphatkonzentrat zu gewinnen, das transportiert und kostengünstig weiterverarbeitet werden kann Potentieller technischer erneuerbarer Energieertrag aus Klärschlamm und Stallabfällen in den EU28 Mitgliedstaaten: 646 TWh (2´329´000TJ) = 3-5% des gesamten Energieverbrauchs 12 © Outotec – All rights reserved April 2015 Sicherer und sauberer P/PK Dünger Thermische Verwertung von Klärschlamm - Phosphatrückgewinnung aus Aschen V. P-Dünger oder Halbprodukt Metallverbindungen ASH DEC Prozess Ansatzpunkte für P-Rückgewinnung in der Abwasserreinigung 100% P 40-80% P 10-70*% P > 90% P 10-70*% P * Nur nach Lösung von P mittels Säuren; ohne Zusatz von Säuren <30% und nur in Bio-P Kläranlagen (modifiziert nach Montag 2010) 13 © Outotec – All rights reserved April 2015 Thermische Verwertung von Klärschlamm - Phosphatrückgewinnung aus Aschen Höhere Konzentration von P durch Verbrennung Die ersten Ergebnisse zur Ökobilanz in P-REX zeigen, dass Asche die besseren Voraussetzungen für P-Recycling bietet! Gasifizierung Verbrennung = Konzentration 14 © Outotec – All rights reserved April 2015 Entwässerter Schlamm Asche 1,5 t P2O5 1,5 t P2O5 Thermische Verwertung von Klärschlamm - Phosphatrückgewinnung aus Aschen Hintergrund der Schlammverbrennung bei Outotec Periode 1980 2001 2002 2009 2010 Thyssen BAMAG Water Incineration Lugano / CH Brabant / NL Manchester 1 / UK Elverlingsen / DE Lurgi Umwelt Metalllurgie Air Liquide Stuttgart / DE St. Petersburg / RF Belfast 2 / UK Manchester 2 / UK Kopenhagen / DK 15 © Outotec – All rights reserved Schlüsselkräfte BAMAG Int. BAMAG WTE April 2015 Wirbelschicht Technologie Referenzen für Schlamm Outotec 2011 Oil Gas Frankfurt / DE Dordrecht / NL London / UK Belfast 1 / UK Narva / Estland Harmuth / DE Brabant (Redesign) / NL St. Petersburg (Study) / RF Modern / TR Thermische Verwertung von Klärschlamm - Phosphatrückgewinnung aus Aschen Energierückgewinnung in der Schlammverbrennung Klärschlamverwertung für 1 Mio EWG = 100'000 t/a = 30'000 tTS/a 2 - 3 MWth TMax 90°C EMI 1'000 kWel Brüden Kondensation Strom Saugzug 100'000 t/a (30'000 tTS/a) ESP Schlamm Kamin 90°C 450 kWth Dampf Trockner 190°C Wirbelschichtreaktor 150°C 50°C 3 - 4 MWth SPW Wurfbeschicker TMax 65°C 0 m³/h i.N. S Nur für Anfahrpahse Erdgas Luft Wirbelluftgebläse Wäscher System Jährliche Energieproduktion: 7‘000 MWh Strom (Betrieb der Anlage) + 35‘500 MWh Wärme 16 © Outotec – All rights reserved April 2015 Thermische Verwertung von Klärschlamm - Phosphatrückgewinnung aus Aschen Klärschlammverbrennung – Stand der Technik Wirbelschichtofen von Outotec Düsen mit guter Befestigung und ohne Sanddurchfall Die Details machen den Unterschied! Druckverlust in Bohrung Sperrbleche eingegossen 17 © Outotec – All rights reserved April 2015 Thermische Verwertung von Klärschlamm - Phosphatrückgewinnung aus Aschen SVA Zürich Werdhölzli 100.000 t Klärschlamm 7.000 MWh/a Elektrizität 35.500 MWh/a Wärme 18 © Outotec – All rights reserved April 2015 Thermische Verwertung von Klärschlamm - Phosphatrückgewinnung aus Aschen Energieeffiziente Volltrocknung: Closed Loop Steam Dryer in Storuman, S: 128.000 t/a Biopellets, 64.000 MWh/a Strom, 112.000 MWh/a Fernwärme 19 © Outotec – All rights reserved April 2015 Thermische Verwertung von Klärschlamm - Phosphatrückgewinnung aus Aschen Phosdryer Entwicklung und Pilotanlage F&E Projekt DEBUGGER: Effizienter Dampftrockner, <400 kWh /t H2O Hauptdaten: • Fläche 5 x 15 m • Höhe 30 m • Rohrdurchmesser 300 mm • Kesselleistung: 600 kW • Anlage teilweise Außen-, teilweise Innenaufstellung 20 © Outotec – All rights reserved April 2015 Thermische Verwertung von Klärschlamm - Phosphatrückgewinnung aus Aschen Klärschlamm zu Syngas: Modell Cemex Rüdersdorf Mitverbrennung mit Nährstoffrecycling ist möglich Thermische Leistung: 100MW, Brennstoffe: Biomasse, RDF Produkt Gas: 60000 Nm³/h, 3-5.3 MJ/Nm³, 860-920°C 21 © Outotec – All rights reserved April 2015 Thermische Verwertung von Klärschlamm - Phosphatrückgewinnung aus Aschen Klärschlammasche = P-Rohstoff • Höchste Konzentration der Nährstoffe – >18% P2O5 • Vergleichsweise geringe Massen in der P-Rückgewinnung • Nur 0,5% Schwermetalle Besteht aus • Stabilen chemischen Verbindungen von Silizium, Calcium, Eisen, Aluminium und Phosphor (1524% P2O5) Enthält • Teilweise toxische Schwermetalle, hauptsächlich Cadmium, Blei, Kupfer und Zink. • Phosphor in Form von Calciumphosphat mit geringer Pflanzenverfügbarkeit 22 © Outotec – All rights reserved April 2015 Ohne Behandlung ist Asche kein Dünger, sondern ein Rohstoff! Thermische Verwertung von Klärschlamm - Phosphatrückgewinnung aus Aschen Asche von Biomasse vs. Rohphosphatkonzentrat 1) Kley, G., 2004 2) http://www.biodat.eu/ 23 © Outotec – All rights reserved April 2015 Thermische Verwertung von Klärschlamm - Phosphatrückgewinnung aus Aschen Asche von Biomasse vs. Rohphosphatkonzentrat 1) Kley, G., 2004 2) http://www.biodat.eu/ 24 © Outotec – All rights reserved April 2015 Thermische Verwertung von Klärschlamm - Phosphatrückgewinnung aus Aschen Wirkungsweise des thermochemischen Prozesses • Thermische Behandlung der Asche mit reaktiven Chloridoder Alkaliverbindungen (MgCl2 oder Na2SO4) • Entfrachtung der Schadstoffe (As, Cd, Pb, mit Chloriden auch Cu und Zn) unter reduzierenden Bedingungen 25 © Outotec – All rights reserved April 2015 Thermische Verwertung von Klärschlamm - Phosphatrückgewinnung aus Aschen Der modifizierte ASH DEC (Rhenania) Prozess Verfahren: Cl-Recycling entfällt Alkali-Additive weniger korrosiv Rohphosphat zur Einstellung eines konstanten P-Gehalts CAPEX rund 20% unter denen für das klassische ASH DEC® Verfahren Produkt: Glühphosphat (Rhenaniaphosphat) mit langjähriger Tradition (1920 bis 1982) EG-Dünger (als PK-NP-NPK) und hoch löslich in Ammoncitrat Gute Wirkung auf sauren und auf alkalischen Böden Nachteile: Keine Entfrachtung von Kupfer und weniger effektiv bei Blei und Zink Produkt kein gängiger Mineraldünger, Verkauf erfordert Marketingaufwand 26 © Outotec – All rights reserved April 2015 Thermische Verwertung von Klärschlamm - Phosphatrückgewinnung aus Aschen Flussdiagramm Klärschlammverbrennung Fließbild – Schlammverbrennung + ASH DEC 27 © Outotec – All rights reserved April 2015 Thermische Verwertung von Klärschlamm - Phosphatrückgewinnung aus Aschen Prozessfließbild 100‘000 Tonnen/a Klärschlamm ASH DEC integriert in die Schlammverbrennung Asche aus Heißgaszyklon 28 © Outotec – All rights reserved April 2015 Zusatzstoffe aufheizen im Preheater Kalzinierung im Drehrohr Metallabscheidung im Hot-ESP Abgasreinigung in der KSA Thermische Verwertung von Klärschlamm - Phosphatrückgewinnung aus Aschen Nährstoffverwertung: Phosphatdünger Pilotproduktion Kontinuierliche Behandlung von 7 t Klärschlammasche pro Tag, Anlage vollständig automatisiert 29 © Outotec – All rights reserved April 2015 Thermische Verwertung von Klärschlamm - Phosphatrückgewinnung aus Aschen NPK-Düngerproduktion im Industriemassstab Produktion von NPK Dünger-Granulat aus Sekundärphosphaten aus der ASH DEC Pilotanlage: 12 t/h, LONZA AG, Visp (CH) 30 © Outotec – All rights reserved April 2015 Thermische Verwertung von Klärschlamm - Phosphatrückgewinnung aus Aschen Agenda • Wer ist Outotec • Motivation • Grundlagen und Verfahren • Produkte und Ökobilanz • Schlussfolgerung 31 © Outotec – All rights reserved April 2015 Thermische Verwertung von Klärschlamm - Phosphatrückgewinnung aus Aschen Neue Mehrnährstoffdünger aus erneuerbaren Phosphaten NPK 16:8:0 + 5S Granulat (AN + Glühphosphat P) NPK 23:8:0 + 5S Granulat (Urea + Glühphosphat P) • Niedrige Schadstofffrachten • Alkali-Glühphosphate, kein Säureeintrag in den Boden Welches sind die vielversprechendsten Anwendungen? Hersteller von Stickstoffdüngern sind prinzipiell interessiert an der gemeinsamen Produktion von NP-Düngern Quellen: ASH DEC 32 © Outotec – All rights reserved April 2015 Thermische Verwertung von Klärschlamm - Phosphatrückgewinnung aus Aschen Sind Klärschlammverbrennung und PhosphatRecycling nachhaltig? • Mehrere P-Recycling Verfahren stehen vor der industriellen Umsetzung • Die technische und wirtschaftliche Machbarkeit, sowie die Düngereffizienz wurden bewertet • Zwei P-Recyclingverfahren wurden im Vergleich mit einem konventionellen Dünger – Single Superphosphat – bewertet: – Ein thermochemisches Verfahren (ASH DEC Prozess) – Ein nasschemisches Verfahren (sauer aufgeschlossene Asche, z.B. Lieferung von Klärschlammasche an die Düngerindustrie) 33 © Outotec – All rights reserved April 2015 Thermische Verwertung von Klärschlamm - Phosphatrückgewinnung aus Aschen ASH DEC Bilanzen für 13.800 t/a Asche • Energieverbrauch gesamt • Turnkey Anlage CAPEX • Produktionskosten • In Anlagen >40.000 t/a 400-850 kWh/t Asche 12-20 MEUR 900-1.200 €/t P2O5 700- 750 €/t P2O5 Grundlagen: • 7 t/Tag Pilotanlage • Konzeptstudien auf Anfrage von Interessenten • Testproduktion von rund 5 Tonnen im Rahmen von P-REX 34 © Outotec – All rights reserved April 2015 Thermische Verwertung von Klärschlamm - Phosphatrückgewinnung aus Aschen Mais im Topfversuch (M. Severin et al. 2014) 70 TM Ertrag [g] 60 Ertrag (TM) abc abc a abcd ab 50 abcd bcd 40 d 30 cd de de def 20 10 ef f ef ef TSP level1 TSP level2 TSP level3 K+P level1 K+P level2 K+P level3 GP2 level1 GP2 level2 GP2 level3 GP1 level1 GP1 level2 GP1 level3 USSA level1 USSA level2 USSA level3 0-control 0 •Sandboden, 1,14 mg P/100g Boden, pH 7,0 nach Kalkung, Mitscherlichgefäß 6 kg pro Topf, 9 Pflanzen Mais •Düngung in 3 Stufen (0,176; 0,352 und 0,528 g P pro Topf) 35 © Outotec – All rights reserved April 2015 Thermische Verwertung von Klärschlamm - Phosphatrückgewinnung aus Aschen Mais im Topfversuch (M. Severin et al. 2014) a 0,1 ab 0,08 abc ab abcd 0,06 bcd cdef 0,04 gf cdefg cde cdef defg TSP level1 TSP level2 TSP level3 K+P level1 K+P level2 K+P level3 0-control 0 GP1 level1 GP1 level2 GP1 level3 g gf gf USSA… USSA… USSA… 0,02 a GP2 level1 GP2 level2 GP2 level3 P-Aufnahme [g in TM Ertrag je Topf] 0,12 P-Aufnahme •Sandboden, 1,14 mg P/100g Boden, pH 7,0 nach Kalkung, Mitscherlichgefäß 6 kg pro Topf, 9 Pflanzen Mais •Düngung in 3 Stufen (0,176; 0,352 und 0,528 g P pro Topf) 36 © Outotec – All rights reserved April 2015 Thermische Verwertung von Klärschlamm - Phosphatrückgewinnung aus Aschen Energiebilanz im Vergleich Cumulated energy balance 70 61,16 60 55,46 GJ/t P2O5 50 40 30 22,72 20 16,78 7,14 10 5,25 0 Single superphosphate Acidulated sludge ash Energy Consumption 37 © Outotec – All rights reserved April 2015 Calcined phosphate Energy Generation Thermische Verwertung von Klärschlamm - Phosphatrückgewinnung aus Aschen Schadstoffkonzentrationen im Vergleich 38 © Outotec – All rights reserved April 2015 Thermische Verwertung von Klärschlamm - Phosphatrückgewinnung aus Aschen ASH DEC Glühphosphat Fußabdruck in GaBi CO2 aus organischen, erneuerbaren Brennstoffen nicht als Emission bewertet GWP 0,65 kg CO2equivalent 39 © Outotec – All rights reserved April 2015 Thermische Verwertung von Klärschlamm - Phosphatrückgewinnung aus Aschen Schlussfolgerungen Der Vergleich der Massen- und Energiebilanzen bestätigt • Die Klärschlammverbrennung liefert immer deutlich mehr Energie als Phosphatrecycling benötigt. • Die Produktion von Phosphatdüngern erfordert generell keine relevanten Mengen fossiler Energie: - konventioneller Phosphatdünger profitiert von der Energiegutschrift aus der Schwefelverbrennung (SSP) während - Recyclingphosphat die Energiegutschrift aus der Schlammverbrennung erhält vorausgesetzt Schwefel und Schlamm werden in BAT Anlagen verbrannt. • Recyclingphosphate zeigen gegenüber Düngern aus Rohphosphat einen deutlich geringeren Gehalt von Cadmium und Uran, einen vergleichbaren Gehalt von Arsen und einen höheren Gehalt von Blei. 40 © Outotec – All rights reserved April 2015 Thermische Verwertung von Klärschlamm - Phosphatrückgewinnung aus Aschen Diese Präsentation enthält Material aus KIC InnoEnergy DeBugger, Life+, P-REX, PROMISE und anderen Europäischen F&E Projekten. Diese Projekte wurden von mehreren Europäischen Institutionen mitfinanziert, einschließlich der Europäischen Kommission, EIT, Life+ and BONUS (Art 185), the letzteres gemeinschaftlich gefördert vom 7. F&E Rahmenprogramm der Europäischen Kommission und von nationalen Förderstellen der Baltischen See. 41 © Outotec – All rights reserved April 2015 Thermische Verwertung von Klärschlamm - Phosphatrückgewinnung aus Aschen Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Fragen? www.outotec.com [email protected], [email protected], [email protected] 42 © Outotec – All rights reserved April 2015 Thermische Verwertung von Klärschlamm - Phosphatrückgewinnung aus Aschen
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