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DE19617218C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Verarbeiten von biologischen Reststoffen, insbesondere Klärschlamm - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Verarbeiten von biologischen Reststoffen, insbesondere Klärschlamm

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DE19617218C2 DE19617218A DE19617218A DE19617218C2 DE 19617218 C2 DE19617218 C2 DE 19617218C2 DE 19617218 A DE19617218 A DE 19617218A DE 19617218 A DE19617218 A DE 19617218A DE 19617218 C2 DE19617218 C2 DE 19617218C2
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verarbeiten von biologischen Reststoffen, insbesondere Klärschlamm.
Überschußschlamm aus Kläranlagen wird heute in der Regel mittels Zentrifugen entwässert. Trotz vieler Verbesserungsansätze wie dem Einsatz mehrstufiger Zentrifugen oder von Sonderkonstruktionen sind die Entwässerungsergebnisse dieser Einrichtungen für eine langfristige und sichere Entsorgung von Klärschlamm mit teilweise hohen biologischen Anteilen unbefriedigend. Die Zumischung von Stabilisaten wie Kalk oder Flugasche bringen keine Lösung, sondern erhöhen nur die zu entsorgende Abfallmenge und belasten eine Deponie zusätzlich.
Auch die Umsetzungsraten biologischer Anteile des Klärschlamms in Faulgas, wie sie in dem biologischen Teil einer Kläranlage nachgeschalteten Faultürmen erfolgt, sind unbefriedigend. Zudem erschweren in dem Faulgas enthaltende Bestandteile die Stromerzeugung. Die Faultürme werden jedoch benötigt, wenn der Klärschlamm für lange Entsorgungswege hygienisiert werden muß.
Die Absatzmöglichkeit von schwachentwässertem Klärschlamm in der Landwirtschaft ist räumlich und mengenmäßig stark begrenzt und die Akzeptanz schwindet mit der Zunahme der Bedeutung einer biologischen Landwirtschaft. Die Deponierung von Klärschlamm auf Halden wird wegen der hohen Menge an biologischen Bestandteilen zunehmend schwieriger, selbst wenn der Klärschlamm durch mengenvergrößernde Magerungsmittel deponiefähig gemacht wird.
Die Verwendung von Klärschlamm als Brennstoff in Kraftwerken oder anderen Verbrennungsanlagen setzt eine leistungsfähige Trocknung voraus, die in der Regel in einer Trocknungsanlage unter Verbrauch hochwertiger Energieträger oder dem hierfür zu kostbaren Faulgas aus Faultürmen erfolgt. Es fallen meist erhebliche Transportkosten für den Transport des Klärschlamms zu den zentralen Großanlagen an. Zudem muß der Anteil an Klärschlamm aufgrund des schlammspezifischen Brenn- und Ascheverhaltens meist niedrig gehalten werden. Die Abgasreinigung für Brennstoffgemische ist schließlich aufwendiger als für Monobrennstoffe. Aus all diesen Gründen müssen für die Verbrennung von Klärschlamm meist Zuzahlungen geleistet werden.
Auch Vergasungsanlagen für Klärschlamm wurden bisher nur für große Mengen ausgelegt, was wiederum kostenintensive Transporte mit sich bringt, da der dezentral anfallende Klärschlamm nur gering entwässert ist.
Aus der DE-A-40 20 552 ist ein Verfahren zur Verwertung von Klärschlamm bekannt, bei dem der Klärschlamm zunächst vollständig getrocknet wird. In einem anschließenden Entgasungsprozeß bei Temperaturen von 400°C bis 500°C unter gleichzeitiger Mahlung wird Klärschlamm-Koks mit 10 bis 40 Gewichts-% organischen Substanzen erzeugt, der als Füller für Asphalt besonders geeignet ist.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, mit der Klärschlamm in Anschluß an eine Kläranlage dezentral verarbeitet werden kann und die optimal die im Klärschlamm enthaltene Energie nutzt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, das durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist:
  • - entwässerter Klärschlamm wird in einem Wirbelschichttrockner getrocknet, bis ein Wassergehalt von höchstens 10% erreicht ist;
  • - der getrocknete Klärschlamm wird in einem Wirbelschichtvergaser unter Sauerstoffmangel vergast, wobei Produktgas entsteht;
  • - mit dem Produktgas wird ein Blockheizkraftwerk betrieben,
  • - die Abwärme von Wirbelschichtvergaser und Blockheizkraftwerk wird über geschlossene Rohrsysteme dem Wirbelschichttrockner oder dem Wirbelschichtvergaser zugeführt.
Erfindungsgemäß ist auch ein Verfahren, bei dem der Klärschlamm in einer Hochdruck- Kammerfilterpresse entwässert wird.
Vorteilhaft ist, daß der entwässerte Klärschlamm vor der Trocknung in einem Mischer mit Rücklaufgut aus dem Wirbelschichttrockner vermischt und pelletiert wird.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß das im Wirbelschichtvergaser entstehende Produktgas durch Kondensation des Wasserdampfes getrocknet wird.
Weiterhin ist vorgesehen, daß das Abgas des Blockheizkraftwerkes über Wärmetauscher geleitet wird.
Es ist auch sinnvoll, daß mit dem aus der Hochdruck-Kammerfilterpresse ablaufenden Filtrat der Wasserdampf aus den Brüden des Wirbelschichttrockners kondensiert wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt einen Wirbelschichttrockner, einen Wirbelschichtvergaser und ein Blockheizkraftwerk.
Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß dem Wirbelschichttrockner eine Entwässerungsvorrichtung vorgeschaltet ist.
Weiterhin ist es zweckmäßig, daß die Entwässerungsvorrichtung eine Hochdruck- Kammerfilterpresse ist.
Schließlich ist es sinnvoll, daß Mittel zum Waschen des Produktgases vorgesehen sind.
Die Erfindung hat zahlreiche Vorteile: Durch die Verarbeitung des Klärschlamms vorzugsweise im Bereich der Kläranlage wird das zu entsorgende Volumen extrem reduziert. Magerungsmittel müssen nicht zugesetzt werden, nur noch Asche verläßt das System.
Zudem enthält die Asche keine organischen Bestandteile mehr, entspricht somit der TA Siedlungsabfall und kann somit deponiert werden. Dies ist auch in seuchenhygienischer Hinsicht von Bedeutung.
Durch die Hochtrocknung der Klärschlammpellets mit der Prozeßeigenwärme und die Stromerzeugung, die (bei Trockenrückstandswerten über 40% im Filterkuchen) bis hin zur Deckung des gesamten Strombedarfs der Kläranlage gehen kann, ist das Verfahren in energetischer Hinsicht optimal. Es kann allein mit nachwachsenden Rohstoffen (Klärschlamm, gegebenenfalls Biodiesel oder andere nachwachsende Brennstoffe) als CO₂-neutrales Verfahren betrieben werden.
Im folgenden wird eine beispielhafte Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand einer Zeichnung detailliert beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Der aus der Kläranlage kommende Klärschlamm 10 wird über eine Hochdruckpumpe in eine Hochdruck-Kammerfilterpresse 37 gedrückt und dort entwässert. Bei diesem Klärschlamm handelt es sich in der Regel um nur mit Polymeren konditionierten Überschußschlamm mit einem Trockenrückstand (TR) von ca. 2-8%. In der Hochdruck-Kammerfilterpresse 37 wird der Klärschlamm vorzugsweise auf einen TR-Wert von über 40% entwässert, da bei TR- Werten über 40% die Anlage energieautark arbeiten kann. Durch die kurzen Entwässerungszeiten und die dabei erreichbaren TR-Werte reichen relativ kleine Hochdruck- Kammerfilterpressen 37, um die anfallenden Schlammengen zu entwässern.
Der Filterkuchen wird in einen Zwischenspeicher 11 geworfen, um den Chargenbetrieb der Hochdruck-Kammerfilterpresse 37 auszugleichen. Über eine Fördereinrichtung 38 und einen Filterkuchenzerkleinerer 12 gelangen die vorklassierten Filterkuchenstücke in den Mischer 13. Dort werden Pellets geformt.
Diese Pellets werden in einem Wirbelschichttrockner 14 gewirbelt und durch über geschlossene Dampfkreisläufe 19, 31 eingebrachte Wärme auf TR-Werte über 90% getrocknet. In einem Sieb 16 wird das Trockengut klassiert, anschließend wird dem Trockengut im Produktkühlerwärmetauscher 39 Wärme entzogen und das Trockengut in einem (z. B. mit N₂) inertisierbaren Trockengutspeicher 40 zwischengelagert.
Über eine weitere Fördereinrichtung werden die Pellets in einen Wirbelschichtvergaser 17 gedrückt und dort unter Sauerstoffmangel die biologischen Anteile (Glühverlust der getrockneten Pellets: ca. 50%) bei Temperaturen von 850-900°C vergast. Die Bildung von NO-Verbindungen wird dadurch verhindert. Es kann zusätzlich eine Wasserdampflanze im Wirbelschichtvergaser 17 vorgesehen sein. Die mineralisierte Asche 18 wird mit Transportfahrzeugen abgefahren; sie kann deponiert werden. Aus dem entstehenden Produktgas werden in Filtern 34, 20 die festen Bestandteile abgeschieden und in Produktgas- Dampf-Wärmetauscher 3, Produktgas-Wärmetauscher 6 und Kondensationswärmetauscher 5 die gasförmigen Bestandteile aus dem Produktgas herauskondensiert (z. B. Quecksilber), wobei im Kondensationswärmetauscher 5 das Produktgas durch Kondensation des noch enthaltenen Wasserdampfes getrocknet wird.
Der Produktgas-Dampf-Wärmetauscher 3 und der Produktgas-Wärmetauscher 6 sind durch geeignete Vorrichtungen, z. B. Dampfrußbläser reinigbar, um einen besseren Wärmeübergang zu erzielen und um Ablagerungen und Verkrustungen zu vermeiden. Um eine gleichmäßige Produktgasqualität zu erhalten und zum Druckausgleich wird ein Druckausgleichs- Mischbehälter 41 vor dem Kondensationswärmetauscher 5 installiert. Der Druckausgleichs- Mischbehälter 41 wird bedarfsweise auch als Waschkolonne für das Produktgas eingesetzt. Die im Druckausgleichs-Mischbehälter 41 eventuell anfallenden Flüssigkeiten werden über einen Kondensomaten 43 in die Reinigungsanlage 42 geleitet und gereinigt.
Das Produktgas wird in einem Blockheizkraftwerk 21, bestehend aus einem Motor M und einem Generator G zur Stromerzeugung, verbrannt, wobei die Abwärme des Motors im Normalbetrieb über einen Motorkühlwasserwärmetauscher 7 übertragen wird.
Die Abgase des Motors werden über einen Katalysator Kat, erforderlichenfalls über einen zusätzlichen oxydierenden Katalysator 36, einen Abgas-Zuluft-Wärmetauscher 1, einen Dampf-Abgas-Wärmetauscher 2, einen weiteren Abgas-Wärmetauscher 9 und einen Abgasventilator 32 zu einem Kamin 22 geleitet.
Das aus der Hochdruck-Kammerfilterpresse 37 ablaufende Filtrat 26 und während der Entladezeit der Hochdruck-Kammerfilterpresse 37 auch das Brauchwasser 25 dienen zum Kondensieren in den Kondensationswärmetauschern 4 und 5. Die Kondensomaten 29, 30, 43 verhindern, daß Dämpfe oder Gase das System verlassen können.
Dem in dem Wirbelschichttrockner 14 bei der Trocknung freigesetzten leicht überhitzten Wasserdampf werden in einem Dampftuchfilter 15 die festen Partikel und in einem Kondensationswärmetauscher 4 sowie einem Vorkühler Trocknungsbrüden 8 die Wärme entzogen. Das ablaufende Kondensat wird über den Kondensomaten 29 in den Filtratablauf 24 zur Kläranlage zurückgeleitet, wobei Begleitstoffe bedarfsweise in einer Behandlungsanlage 23 ausgefällt und/oder abgebaut werden.
Das Rücklaufgut aus dem Sieb 16 und dem Dampftuchfilter 15 wird im Mischer 13 den Filterkuchenstücken zugemischt und mitpelletiert. Durch den Einsatz des Rücklaufgutes können Trockensubstanz-Schwankungen im Filterkuchen bei der Entwässerung ausgeglichen werden.
Das Kondenswasser aus dem Kühler 5 wird über den Kondensomaten 30 ebenfalls in den Filtratablauf zur Kläranlage zurückgeleitet, wobei Begleitstoffe bedarfsweise in der Reinigungsanlage 23 ausgefällt und/oder abgebaut werden.
Die Zuluft 27 zum Wirbelschichtvergaser 17 wird über ein Zuluftgebläse 35 über Produktkühlerwärmetauscher 39, Produktgaswärmetauscher 6, den bereits erwähnten Motorkühlwasserwärmetauscher 7, Vorkühler Trocknungsbrüden 8 und Motorabgaswärmetauscher 9 geführt, wobei je nach Anlage alle diese Wärmetauscher 39, 6, 7, 8, 9 oder nur einzelne bzw. keine vorliegen. Zweckmäßig ist zumindest das Vorliegen eines Abgas-Zuluft-Wärmetauschers 1. Die Zulufttemperatur kann durch diese Maßnahmen auf über 500°C erhitzt werden, was wiederum den thermischen Wirkungsgrad der Vorrichtung erhöht und die Gasqualität des Produktgases entscheidend verbessert.
Der Wirbelschichttrockner 14 ist über geschlossene Dampfheizkreisläufe 19, 31 mit dem Produktgas-Dampf-Wärmetauscher 3 und dem Dampf-Abgas-Wärmetauscher 2 verbunden. Mit den Abwärmen, die normalerweise zur Erwärmung der Zuluft 27 dienen, kann auch durch Beschlagen des Mischers 13 das Mischgut vorgewärmt werden oder Nahwärme ausgekoppelt werden.
Die Hilfsenergie für das Blockheizkraftwerk 21, insbesondere beim Anfahren, wird einem dezentralen Energiespeicher 28 entnommen, der vorzugsweise mit nachwachsenden Energieträgern wie Biodiesel gefüllt ist.
Wie bereits ausgeführt, arbeitet die Vorrichtung bei TR-Werten über 40% im entwässerten Klärschlamm energieautark, d. h., daß Strom zum Betrieb der Kläranlage und/oder Heizwärme abgegeben werden kann.
In Verbindung mit bereits eingeführten neueren Verfahren für die Biologie der Kläranlage, bei denen der Kohlenstoff im Klärschlamm gehaften wird, anstatt bereits in den Belüftungsbecken in die Luft geblasen zu werden, eröffnet die Erfindung die Möglichkeit, die Energieausbeute aus dem Klärschlamm noch erheblich zu steigern.

Claims (10)

1. Verfahren zum Verarbeiten von biologischen Reststoffen, insbesondere von Klärschlamm, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
  • - entwässerter Klärschlamm wird in einem Wirbelschichttrockner getrocknet, bis ein Wassergehalt von höchstens 10% erreicht ist;
  • - der getrocknete Klärschlamm wird in einem Wirbelschichtvergaser unter Sauerstoffmangel vergast, wobei Produktgas entsteht;
  • - mit dem Produktgas wird ein Blockheizkraftwerk betrieben,
  • - die Abwärme von Wirbelschichtvergaser und Blockheizkraftwerk wird über geschlossene Rohrsysteme dem Wirbelschichttrockner oder dem Wirbelschichtvergaser zugeführt.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Klärschlamm in einer Hochdruck-Kammerfilterpresse entwässert wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der entwässerte Klärschlamm vor der Trocknung in einem Mischer mit Rücklaufgut aus dem Wirbelschichttrockner vermischt und pelletiert wird.
4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das im Wirbelschichtvergaser entstehende Produktgas durch Kondensation des Wasserdampfes getrocknet wird.
5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas des Blockheizkraftwerkes über Wärmetauscher geleitet wird.
6. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem aus der Hochdruckkammerfilterpresse ablaufenden Filtrat der Wasserdampf aus den Brüden des Wirbelschichttrockners kondensiert wird.
7. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens gemäß der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen Wirbelschichttrockner, einen Wirbelschichtvergaser und ein Blockheizkraftwerk umfaßt.
8. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Wirbelschichttrockner eine Entwässerungsvorrichtung vorgeschaltet ist.
9. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Entwässerungsvorrichtung eine Hochdruck-Kammerfilterpresse ist.
10. Vorrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Waschen des Produktgases vorgesehen sind.
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