Zukunftsfähige Technologien und Konzepte für eine energieeffiziente und ressourcenschonende Wasserwirtschaft

Arbeitspakete im Verbund KRN-Mephrec

AP 1: Bereitstellung der technischen Komponenten und Nachweis der praktischen Funktionstauglichkeit der Technologie

Ansprechpartner:

Matthias Scherner, Klärschlammverwertung Region Nürnberg GmbH, Adolf-Braun-Straße 33, 90429 Nürnberg, E-Mail: matthias.scherner@stadt.nuernberg.de

Kurzbeschreibung:

Die Technologie des metallurgischen Phosphorrecyclings wurde bisher ausschließlich im Laborreaktor getestet. Mit Hilfe der Pilotanlage im halbtechnischen Maßstab sollen die Einzelkomponenten zu einer robusten Verfahrenskette für die gleichzeitige energetische und stoffliche Klärschlammverwertung entwickelt und die Funktions- und Praxistauglichkeit nachgewiesen werden. Die Verfahrenskette besteht aus den wesentlichen Verfahrenskomponenten:

  • Klärschlammaufbereitung für den Schmelzprozess, bestehend aus Trocknung und Brikettierung
  • Bau und Betrieb der Kernkomponenten des Schachtofens (Mephrec-Reaktor)
  • Rohgasverwertung einschließlich der erforderlichen Gas- und Abluftreinigung

Die Ziele des APs sind:

  • Realisation des Demonstrationsobjekts einer Schmelzvergaseranlage zur kontinuierlichen Aufbereitung und Verarbeitung von Klärschlamm und Klärschlammasche im halbtechnischen Maßstab
  • Nachweis der stabilen Prozessführung und Praxistauglichkeit der Hauptkomponenten und der Verfahrenskette

Die Arbeitsschwerpunkte sind:

  • Planung und Bau der Pilotanlage durch einen Wirtschaftspartner am Standort Klärwerk Nürnberg
  • Inbetriebnahme der Anlage und Dauertest nach einem festgelegten Versuchsprogramm
  • Funktionsüberprüfung der Verfahrenskette mit Verfahrensoptimierung und Variation der Eingangsstoffe
  • Bestimmung der Vorgaben zur Abluftbehandlung für eine großtechnische Anlage

AP 2: Bilanzierung des Prozesses der Schmelzvergasung und der Verfahrenskette und Verwertungskonzept für das erzeugte Synthesegas

Ansprechpartnerin:

Sonja Wiesgickl, Fraunhofer UMSICHT, An der Maxhütte 1, 92237  Sulzbach-Rosenberg, E-Mail: sonja.wiesgickl@umsicht.fraunhofer.de

Kurzbeschreibung:

Die Bilanz der Stoffströme des Verfahrens wurde in einer Machbarkeitsstudie der ingitec GmbH kalkuliert und bedarf der messtechnischen Bestätigung. Das Mess- und Analyseprogramm im Arbeitspaket ist die Grundlage für die vollständige Prozessbilanzierung. Die Daten bilden die Grundlage für die Genehmigung, die Bemessung und den Betrieb einer Großanlage. Nutzungsoptionen für das entstehende Synthesegas, das bei unterschiedlichen Betriebsweisen variiert, werden hinsichtlich der technischen und wirtschaftlichen Parameter charakterisiert, bewertet und miteinander verglichen. Neben der optimalen energetischen Nutzung des entstehenden Synthesegases sind die Gewinnung der schadstoffarmen phosphorhaltigen Schlacke und der Eisenmetalllegierung die wesentlichen Nutzungsfaktoren der Klärschlammverwertung. Die Qualitäten dieser Prozessprodukte und der Reststoffe aus der Gasreinigung werden dokumentiert und Nutzungsoptionen aufgezeigt.

Die Ziele sind:

  • Kenntnis sämtlicher Inhalte der Ausgangsprodukte, der Betriebsmittel und der ausgetragenen Stoffe einschließlich Filterstaub
  • Vollständige Prozessbilanz mit Vorgaben für die technische und betriebliche Prozessoptimierung

Die Arbeitsschwerpunkte sind:

  • Feststoffanalytik, Gasprobenanalytik und Untersuchung der Schlacke und Stäube nach Deponieverordnung für die eventuell erforderliche Entsorgung
  • Untersuchung der thermischen Verwertung mit Nutzung der Wärmeenergie für Trocknung, sowie Wärme-/Kältebedarf des Klärwerks
  • Untersuchung des Stromerzeugungspotenzials über Wärme im Dampf-, Sterling- oder ORC-Prozesse sowie der motorischen Verwertung nach Gasaufbereitung im BHKW mit Bestimmung der Anforderungen an die Gasqualität und –aufbereitung

AP 3: Einbindung der Verfahrenskette in die Kläranlage, Energie- und Stoffstrommanagement als regionales Dienstleistungssystem und regionales Vermarktungskonzept des Rezyklats

Ansprechpartnerin:

Christina Tocha, Universität der Bundeswehr München, Institut für Wasserwesen - Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik, Werner-Heisenberg-Weg 39, 85577 Neubiberg, E-Mail: christina.tocha@unibw.de

Kurzbeschreibung:

Wirtschaftlichkeit und Praxistauglichkeit des metallurgischen Phosphorrecyclings hängen maßgeblich von den Standortsfaktoren ab. Vorteile durch kurze Wege, Synergien bei der Logistik durch die enge Einbindung des Verfahrens in die Infrastruktur des Klärwerkprozesses werden konkretisiert. Das Verfahren der Schmelzvergasung von Klärschlamm ist ein Teilschritt der Schlammbehandlung nach der Faulung, Entwässerung, Trocknung und Brikettierung. Für die im Verwertungsprozess entstehenden Abwässer und die geruchsbelastete Abluft werden kostengünstige und robuste Behandlungsvarianten auf Grundlage von Analytik und Abbauversuchen erarbeitet.

Durch das Verfahren werden die Wertstoffe des Klärschlamms zurückgewonnen. Es ist zu untersuchen, wie diese Stoffe mit maximalem Nutzen für die Volkswirtschaft vermarktet werden können und welcher Preis dafür zu erzielen ist.

Die Ziele des APs sind:

  • Definierte und verifizierte positive wie negative Standortsfaktoren für den Einsatz des Verfahrens
  • Regionales Logistikkonzept, einschließlich Vermarktungsstrategie der Produkte. Ermittelte Akzeptanz- und Umsetzungsbarrieren für die Verfahrensanwendung

Die Arbeitsschwerpunkte sind:

  • Bestandsanalyse der Kläranlagenstruktur und Entsorgungswege für Klärschlamm. Ermittlung der Randbedingungen und relevanten Parametern, die das Energie- und Stoffstrommanagementkonzept beeinflussen. Verifizierung der Übertragbarkeit der Untersuchungsergebnisse auf andere Standorte
  • Untersuchung und Simulation der Einflüsse von Brüden und Quenchwasser auf den Klärwerksprozess. Analyse der Effekte auf die Reinigungsleistung und Stabilität der Prozessstufen in Abhängigkeit verschiedener Vorbehandlungen und Einleitungsorte
  • Zusammenstellung der rechtlichen Rahmenbedingungen für die Zulassung des Rezyklats als Düngemittel in Deutschland und der EU
  • Definition der qualitativen Eigenschaften und Anforderungen an einen Recyclingdünger aus Gesamtsicht von Düngemittelindustrie, Händlern und potenziellen Verbrauchern. Durchführung einer Marktanalyse zu Akzeptanz- und Umsetzungsbarrieren

AP 4: Erprobung alternativer Einsatzstoffe

Ansprechpartner:

Falko Lehrmann, Innovatherm Gesellschaft zur innovativen Nutzung von Brennstoffen mbH, Frydagstraße 47, 44536 Lünen, E-Mail: gf@innovatherm-gmbh.de

Kurzbeschreibung:

Mit der Technologie können alle phosphorhaltigen Einsatzstoffe verwertet werden. In der Pilotanlage im halbtechnischen Maßstab wird die Verwertung von Klärschlammasche getestet. Es ist insbesondere zu untersuchen, wie die Asche zu Stückgut gebunden und verdichtet werden kann. Ferner wird das Prozessverhalten im Schachtofen analysiert, sowie die alternative Bewirtschaftung mit und ohne Synthesegaserzeugung geklärt. Die Qualität der Ein- und Ausgangsstoffe wird mit dem Analytikprogramm dokumentiert und die verfahrenstechnischen Messdaten bilanziert.

Die Ziele sind:

  • Nachgewiesene Funktions- und Praxistauglichkeit der Technologie für die Verwertung von Klärschlammaschen
  • Bestätigte Eignung des Verfahrens für die spätere Verwertung monodeponierter Klärschlammaschen aus der Monoverbrennung

Die Arbeitsschwerpunkte sind:

  • Funktionsnachweis der Verarbeitung von Klärschlamm-Aschen verschiedener Zusammensetzung mit den Teilprozessen Brikettierung der Aschen und anschließende Schmelzvergasung in der Pilotanlage
  • Klärung der rechtlichen Rahmenbedingungen für die Verwertung weiterer Stoffe wie z.B. Tier- und Knochenmehl

AP 5: Qualität der recycelten Phosphate und Vergleich der Produkte mit anderen Recyclingverfahren

Ansprechpartner:

Prof. Dr. Johannes Pinnekamp, RWTH Aachen, Institut für Siedlungswasserwirtschaft, Mies-van-der-Rohe-Straße 1, 52074 Aachen, E-Mail: isa@isa.rwth-aachen.de

Kurzbeschreibung:

Die Qualität des im Prozess entstehenden Rezyklats ist ein wesentlicher Faktor für die Akzeptanz des Recyclingverfahrens im wissenschaftlichen und wirtschaftlichen Umfeld. Der Marktwert des Recyclingprodukts trägt maßgeblich zur Wirtschaftlichkeit und Zukunftsfähigkeit der Technologie bei. Deshalb bedarf es einer exakten Bestimmung der Qualitätsmerkmale des Rezyklats z. B. hinsichtlich Schadstoffgehalte und Pflanzenverfügbarkeit der enthaltenen Phosphate.

Im Rahmen des Arbeitspakets wird das Potenzial des untersuchten metallurgischen Phosphorrecyclingprozesses auf Grundlage von Merkmalen wie Wirkungsgrad, Betriebsmitteleinsatz und Qualität der erzeugten Produkte bewertet und mit anderen Technologien der Phosphorrückgewinnung verglichen.

Die Ziele sind:

  • Nachgewiesene Qualität der Recyclingprodukte, differenziert nach den eingesetzten Rohstoffen, der Betriebsweise und der Aufbereitung der Rezyklate
  • Durch vergleichende Bewertung verschiedener Verfahren verifiziertes technisches Potenzial des metallurgischen Phosphorrecyclings

Die Arbeitsschwerpunkte sind:

  • Untersuchung der Löslichkeit der erzeugen, phosphorreichen Schlacken und Bewertung der Mobilität der Schwermetalle
  • Bewertung und Eingruppierung des Rezyklats nach Düngemittelverordnung
  • Recherche alternativer Phosphorrückgewinnungsverfahren, Definition von Bewertungskriterien und Vergleich der Verfahren

AP 6: Ökobilanzierung der Verfahrenskette und Ökobilanz im Vergleich zu alternativen Entsorgungswegen

Ansprechpartner:

Horst Fehrenbach, Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg GmbH (ifeu), Wilckensstraße 3, 69120 Heidelberg, E-Mail: horst.hehrenbach@ifeu.de

Kurzbeschreibung:

Durch die energetische und stoffliche Verwertung von Klärschlamm soll ein wesentlicher Beitrag zur Nachhaltigkeit der Abwasser- und Rohstoffwirtschaft geleistet werden. Neben technischen und wirtschaftlichen Aspekten alternativer Entsorgungswege ist die ökologische Bilanzierung der Umwelteffekte das entscheidende Kriterium zur Bewertung des Verwertungsverfahrens. Es ist nachzuweisen, dass die Energie- und Stoffströme so weit wie möglich geschlossen werden.

Die Teilaspekte des Konzepts werden in ihrer Wirkung mit alternativen Verfahren verglichen und die Vor- wie Nachteile quantifiziert. Abschließend erfolgt eine ökologische Gesamtbewertung des Konzepts. Die System- und Bilanzgrenze beinhaltet die gesamte Prozesskette von der Erzeugung des Klärschlamms auf der Kläranlage bis zur Herstellung von Erzeugnissen, die zur Substitution von Primärprodukten eingesetzt oder aus dem Stoffkreislauf ausgeschlossen werden. Alle damit verbundenen Ressourcenverbräuche, die Emissionen in Luft, Wasser und Boden sowie subsituierte Primärprodukte fließen in die Ökobilanzierung ein.

Die Ziele sind:

  • Ökobilanz zur Bewertung des regionalen Energie- und Stoffstrommanagementkonzepts über den gesamten Lebensweg
  • Vergleich der Verfahrenskette mit marktüblichen Alternativen und Empfehlung für die Bestvariante der Verfahrensweise

Die Arbeitsschwerpunkte sind:

  • Erstellung der Sachbilanzen und Wirkungsabschätzungen in bis zu 10 Varianten der Verfahrenskette
  • Durchführung der Ökobilanz für den Kernprozess des Verfahrens und für das gesamte Verwertungssystem mit Sensitivitätsanalyse
  • Vergleich der Bilanz mit den Methoden der Klärschlammentsorgung durch Monoverbrennung in konventioneller Wirbelschichtfeuerung, durch Vergasungsverfahren, Mitverbrennung, sowie durch direkte Ausbringung des Klärschlamms in der Landwirtschaft