WASTE WATER Solutions

Innovatives dezentrales Verwertungskonzept zur Erzeugung von thermischer und elektrischer Energie

Layman Report sludge2energy: ein Weg zur energieautarken Kläranlage

sludge2energy - LIFE06 ENV/D/460

➤➤➤ VorwortWenn man heute über die Zukunft derKlärschlammentsorgung spricht, sind deutliche regionaleund überregionale Unterschiede erkennbar. Stichwortewie „landwirtschaftliche Verwertung“, „thermischeVerwertung“ und „Phosphorrückgewinnung“ sind in allerMunde, werden aber auch sehr unterschiedlichinterpretiert. Aus Sicht vieler Staaten wird die stoffliche Verwertung derKlärschlämme weiterhin eine wichtige Rolle spielen. Diesgilt für den Landschaftsbau gleichermaßen wie für dielandwirtschaftliche Ausbringung. Die Düngewirkung vonKlärschlamm und vor allem sein Phosphorgehalt reichenin der Regel aus, den Nährstoffbedarf einer durch-schnittlichen landwirtschaftlichen Nutzfläche zu decken.Umgekehrt wird die landwirtschaftliche Verwertung vonKlärschlamm auf Grund seiner möglichen Schwermetall-belastung und dem Gehalt an organischen Schadstoffenwie beispielsweise PFT (perfluorierte Tenside) in vielenLändern auch sehr kritisch gesehen. In diesen Ländernexistiert seit einigen Jahren ein deutlicher Trend hin zuKonzepten für eine thermische Klärschlammverwertungüberwiegend in zentralen großtechnischen Anlagen alsMono- oder Mitverbrennung, teilweise kombiniert mitLösungsansätzen für eine Rückgewinnung von Phosphoraus dem Klärschlamm.Die Suche nach energetisch optimalen Verwertungs-verfahren hat auf der Kläranlage Straubing inZusammenarbeit mit dem ATZ Entwicklungszentrumschließlich zum sludge2energy-Projekt geführt, welchesderzeit von der HUBER SE als Pilotprojekt im Rahmeneines EU Life06-Projektes realisiert wird. Die Idee war,eine dezentrale Lösung zur thermischen Klärschlamm-verwertung zu entwickeln, die eine sinnvolleWärmenutzung ermöglicht, Transporte sowie damitverbundene Emissionen vermeidet und den Anlagen-betreibern eine Unabhängigkeit vom Entsorgungsmarktund damit langfristige Kostensicherheit gewährleistet.Der Startschuss dieses Vorhabens lag im Jahr 2005 mitder Entwicklung des sludge2energy-Verfahrens durch dasATZ Entwicklungszentrum Sulzbach-Rosenberg und derBeantragung als Demonstrationsprojekt zur Förderungunter dem LIFE Umweltprogramm der EuropäischenKommission. Nach der Fördermittelzusage und demoffiziellen Projektbeginn am 01.10.2006 begannen diedetaillierten Planungen. Im Laufe dieser erstenProjektphase wurde noch viel Arbeit in die Optimierungdes gesamten Verfahrens gesteckt, bis das endgültigeAnlagenkonzept stand. Im April 2008 erfolgte der ersteSpatenstich für das Projekt, im Dezember 2009 wurdesludge2energy als „Ausgewählter Ort im Land der Ideen“ausgezeichnet. 2010 begann die Installation der

Einzelkomponenten und nach Beendigung der Testphasegeht die Anlage ab September 2011 in Betrieb.Ziel des Projektes ist es zu zeigen, dass es durch eineintelligente Verfahrenstechnik und optimierteAnlagenkomponenten möglich ist, kommunalenKlärschlamm dezentral und weitgehend energieautark zuentsorgen. Dabei wurden in der Praxis bereits bewährteAnlageteile sinnvoll miteinander zu einem innovativenGesamtkonzept kombiniert.

➤➤➤ Motivation zur thermischenKlärschlammverwertung

Heute werden in Deutschland bereits etwa 53 % deranfallenden Klärschlammtrockenmasse thermischbehandelt (49,4 % in 2007). Die Verbrennung weist beirelativ hohen Entsorgungskosten die besteEntsorgungssicherheit auf. Während die Mitverbrennungdie kostengünstigere Variante ist, bleibt bei derMonoverbrennung die Möglichkeit der Phosphor-rückgewinnung bestehen. Ein weiterer Faktor, der für dieVerbrennung spricht ist, dass die für Transport,Entwässerung und Trocknung eingesetzte Energie bei derVerbrennung wieder gewonnen werden kann. Entscheidend ist bei der Optimierung der Energiebilanz,dass zum einen die der Verbrennung vorgelagertenVerfahrensschritte so energiesparend wie möglichausgeführt werden und zum anderen die bei derVerbrennung freigesetzte Energie optimal genutzt wird.Im günstigsten Fall kann die Klärschlammverbrennungeine positive Energiebilanz erreichen und einenumweltfreundlichen Beitrag zur Erzeugung regenerativerEnergie in Form von Wärme und Strom leisten.

➤➤➤ Allgemeine Beschreibung des sludge2energy-VerfahrensIm Wesentlichen stellt das sludge2energy-Verfahren diedezentrale Verknüpfung einer Klärschlammtrocknung mitnachgeschalteter Monoverbrennung und einer Strom-erzeugung mittels Gasturbine dar. Hauptkomponentendes Verfahrens sind ein Bandtrockner, eine Mikrogas-turbine sowie eine Rostfeuerungsanlage für dengetrockneten Schlamm. Als Trocknungsanlage kommt ein HUBER BandtrocknerBTplus mit rund 120°C Prozesstemperatur zum Einsatz. Fürdie Klärschlammverbrennung hat HUBER SE zusammen

mit der Fa. Zauner ein auf einer Rostfeuerung basierendesVerbrennungsverfahren mit 1 MW thermischer Leistungentwickelt, das hinsichtlich der Luftreinhaltung denAnforderungen der deutschen 17. BImSchV vollständiggerecht wird. Bei der Mikrogasturbine handelt es sich umeine Gasturbine T100P der Firma Turbec mit 100 kWelektrischer Leistung. Als letzten konsequenten Schrittder Verwertung von Klärschlamm ist im Moment diePhosphorrückgewinnung aus der anfallenden Restaschein Planung.

Schema des sludge2energy-Verfahrens

Behandlungsstufen des sludge2energy-Verfahrens

Klärschlamm 4 % TS

Entwässerung

Filtrat

Schlamm-bunker Trockner

Schlamm65 % TS

AscheZukünftige Möglich-keiten: Phosphatrecycling

VorgewärmteBrennerluft

Heißluft

MikrogasTurbine Frischluft

Wärmerück-gewinnung

Rauchgas

Rückstand

Abgas

Abgas

Schlammca. 25 - 30 % TS

Abwasserwärmenutzungzum Trocknen

Verbrennung

Abgasreinigung(17. BlmSchV)

Rohschlamm4 % TS

EntwässerterSchlamm

25 - 30 % TR

GetrockneterSchlamm

65 - 70 % TR

Verbrennung Asche

PhosphorRecyclingthermische

Energie

Stromerzeugung

H2OH2O

Abwärme zumTrockner

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➤➤➤ Klärschlammtrocknung Im Klärschlammtrockner BTplus wird eine konvektiveKlärschlammtrocknung im Mitteltemperaturbereichdurchgeführt. Mit der, durch den installierten2-Bandtrockner durchgesetzten Prozessluft, wird derKlärschlamm getrocknet und die Luft wird mit Wasserbeladen. Die Abluft wird über einen Wäscher weiterabgekühlt und von Geruchsstoffen und anderenKomponenten befreit, bevor sie in einer weiteren Stufebiologisch gereinigt wird. Die Abluftbehandlungentspricht den Anforderungen der TA-Luft.

➤➤➤ Klärschlammverbrennungund Wärmenutzung

Die thermische Verwertung des getrockneten Schlammeserfolgt in einem Ofen mit Rostfeuerung. Die Rostfeuerungbietet sowohl eine hohe Flexibilität hinsichtlich desBrennstoffspektrums als auch den Vorteil einer einfachenund betriebssicheren Funktion. Mit der heißen Abluft ausder Feuerung wird komprimierte Luft erhitzt, bevor diesein der Mikroturbine entspannt und zur Stromerzeugunggenutzt wird. Die entspannte Heißluft wiederum wird zurErwärmung der Trocknungsluft und anschließend alsvorgewärmte Verbrennungsluft genutzt.

Additivsilo

HeißluftwärmetauscherKlärschlammverbrennung

AutomatischeEntaschung

Vorlagesilo

Heißluftturbine

Schematische Darstellung der VerbrennunganlageQuelle: Zauner

Verbrennungsanlage

HUBER Bandtrockner BTplus

➤➤➤ EnergiebilanzBei einer aktuellen Ausbaugröße der Kläranlage Straubing von etwa 200.000 EWG werden derzeit täglichca. 35.000 m³ Abwasser behandelt. Nach einer anaerobenSchlammbehandlung und Entwässerung mittelsZentrifugen bedeutet dies einen Jahresanfall an, aufdurchschnittlich 28-29 % TR entwässertem Schlamm, vonknapp 9.000 Jahrestonnen. Aus den ca. 525 kg/hgetrocknetem Klärschlamm entstehen nach demVerbrennungsprozess etwa 250 kg/h Asche.Ein wesentlicher Punkt bei der Erstellung einerEnergiebilanz ist der thermische Energiegehalt desgetrockneten Schlammes. Der auf 65 % Trockenrückstandgetrocknete Schlamm ist vom Heizwert mit Braunkohlevergleichbar und besitzt eine Energiemenge von 1.020kWh. Unter Berücksichtigung eines entsprechendenKesselwirkungsgrades lassen sich daraus ca. 800 kWhthermischer Energie gewinnen. Nach Abzug weitererthermischer Verluste in der Mikrogasturbine bleibeneffektiv ca. 700 kWh an thermischer Energie für denTrocknungsprozess übrig. Bei einem thermischenEnergieverbrauch des Trocknungsprozesses von ca.565 kWh steht demnach sogar ein Überschuss anthermischer Energie zur Verfügung.

Energienutzung beim sludge2energy-Prozess

Asche

Brenner

KlärschlammWärmerück-gewinnung

Hochleistungs-wärmetauscher

Offener Luftturbinenprozess

Rauchgas440 °C1 bar

Rauchgas880 °C1 bar Heißluft

550 °C1 bar Luft

15 °C1 bar

800 °C4,5 bar

200 °C4,5 bar

Der Verbrauch an elektrischer Energie, der für den Betriebder die Klärschlammtrocknung erforderlich ist, beträgt ca.40 kWh. Verglichen mit den ca. 80 kWh an elektrischerEnergie, die mit der Mikrogasturbine erzeugt werdenkönnen, stehen für den Betrieb der Klärschlammverbren-nung ca. weitere 40 kWh zur Verfügung. Dies reicht aus,um den Stromverbrauch der Verbrennung zu decken.

➤➤➤ Projektdaten sludge2energy➤ Antragsteller: HUBER SE➤ Projektpartner: ATZ Entwicklungszentrum, TURBEC

R&D AB➤ Projektdauer 01.10.2006 – 30.09.2011

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HUBER SEIndustriepark Erasbach A1 · D-92334 BerchingTelefon: +49 -84 62 -201 -0 · Fax: +49 -84 62 -201 -810info@huber.de · Internet: www.huber.de

Technische Änderungen vorbehalten0,1 / 1 – 11.2011 – 11.2011

Layman Report sludge2energy

➤➤➤ AusblickDie tatsächliche Energiebilanz lässt sich sicherlich erstnach einigen Monaten Betrieb der Anlage aufstellen, ausheutiger Sicht kann mit der Kombination ausBandtrockner, Verbrennung und Mikrogasturbine amStandort Straubing eine energieautarke Klärschlamm-verbrennung realisiert werden. Ein wesentlicher Ansatzzur Energieeinsparung ist dabei die energetischeOptimierung des Bandtrockners sowie die bestmöglicheNutzung von Abwärme aus der Verbrennung.Anschließend an die dezentrale Monoverbrennung vonKlärschlamm auf der Kläranlage Straubing ist mangedanklich inzwischen noch einen Schritt weiter gegan-gen und beschäftigt sich derzeit auch mit möglichen

Verfahren zur Phosphorrückgewinnung aus derKlärschlammasche. Die räumlichen Gegebenheiten sindauf der Kläranlage bereits vorhanden und eventuell wirdam Standort Straubing die thermische Klärschlamm-entsorgung bereits in naher Zukunft um ein weiteresinnovatives Verfahren ergänzt.Weitere Informationen zum sludge2energy-Verfahrenfinden Sie unter: http://www.sludge2energy.eu/.

Thermische Klärschlammverwertung auf der Kläranlage Straubing

Schlammbunkerca. 25 - 30 % TS

Schlamm zur Verbren-nung ca. 65 % TS

Ascheaustrag(1/8 des ursprüng-lichen Volumens)

Bandtrockner BTplus

Stromgewinnung

Biofilter

Wäscher

AbwärmenutzungAbluftbehand-lung

Gasturbine

Verbrennung