DE102013217080B4

DE102013217080B4 - Düngepellet und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102013217080B4
Application number: DE102013217080.7A
Authority: DE
Inventors: Kerstin Kuchta; Ralf Otterpohl; Torsten Bettendorf; Thomas Voss
Original assignee: Technische Universitaet Hamburg TUHH; Tutech Innovation GmbH
Current assignee: Technische Universitaet Hamburg TUHH; Tutech Innovation GmbH
Priority date: 2013-08-27
Filing date: 2013-08-27
Publication date: 2016-08-18
Anticipated expiration: 2033-08-28
Also published as: DE102013217080A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Düngepellet auf Basis von Biokohle, bei dem die Biokohle mit Phosphat beladen und anschließend zu einem Pellet geformt wurde. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Düngepellets auf Basis von Biokohle, bei dem man eine Schlammsuspension mit schwerlöslichen Phosphaten verwendet und den pH-Wert der Schlammsuspension absenkt, um die schwerlöslichen Phosphate ganz oder teilweise zu lösen, und bei dem die Schlammsuspension anschließend mit der Biokohle vermischt und die Biokohle mit Phosphat beladen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Düngepellet sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Düngepellets auf Basis von Biokohle.
Düngemittel dienen dazu, Pflanzen mit den für ihr Wachstum notwendigen Stoffen zu versorgen. Während organische Dünger die einzelnen Nährstoffe in der Regel in organisch gebundener Form enthalten, handelt es sich bei mineralischen Düngern um anorganische Salze der jeweiligen Nährstoffe.
Pflanzennährstoffe, wie zum Beispiel Phosphor, sind auf der Erde jedoch nur begrenzt vorhanden. Von daher ist es wichtig, alle verfügbaren Nährstoffquellen zu nutzen. So hat sich gezeigt, dass Schlämme aus Abwasserkläranlagen für das Pflanzenwachstum durchaus vorteilhaft sein können, weil sie unter anderem Phosphor enthalten. Allerdings können Klärschlämme auch mit unerwünschten Schwermetallen und anderen toxischen Substanzen belastet sein, weshalb eine Verwendung als Düngemittel problematisch sein kann.
Flüssige und feste Rückstände fallen auch bei der Vergärung von Biomasse an. Die auf diese Weise in Biogasanlagen entstehenden Nährstoffe können zwar direkt ausgebracht werden. Durch den rasanten Anstieg der Zahl von Biogasanlagen wird es in vielen Regionen jedoch immer schwieriger, eine ökonomisch und ökologisch sinnvolle Gärresteverwertung zu betreiben. Sobald der Transportweg für derartige Gärreste 10 Kilometer übersteigt, sind die Kosten für den Transport und die Ausbringung der Gärreste höher als der eigentliche Düngemittelwert. Für Biogasanlagen mit hohen Durchsatzraten von über 200.000 t/Jahr ist bereits heutzutage die Verwertung von Gärresten unrentabel.
Aus US 2012/0125064 A1 sind Partikel bekannt, bei denen ungelöstes Phosphat, so genanntes ”rock phosphate”, mit Biokohle vermischt wird. Aus diesem Rohphosphat ist Phosphat nur schwer herauslösbar. Die Partikel gemäß US 2012/0125064 A1 haben daher den Nachteil, dass sie bei ihrer Verwendung als Düngemittel den Pflanzen das nötige Phosphat nur begrenzt zur Verfügung stellen. Insbesondere ist in diesem Falle eine schnelle Phosphatverfügbarkeit ausgeschlossen.
Auch aus DE 10 2011 008 008 A1 ist ein Düngepellet auf Basis von Biokohle bekannt. Das Phosphat stammt hier aus einer Monoverbrennung. Es wird nicht rückgelöst, sondern unverändert mit Biokohle pelletiert.
DE 10 2011 087 635 A1 beschreibt die Verwendung von Biokohle als Kohlenstoffquelle.
Aus DE 945929 B ist ein Verfahren zur Herstellung von selbsttrocknenden Düngemitteln bekannt, bei dem Phosphatschlamm getrocknet und unmittelbar als Düngemittel verwendet wird.
Eine Verwendung von Phosphatschlamm als Düngemittel ist ebenfalls aus DE 372565 A bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen solchen Pflanzendünger bereitzustellen, der unter Verwertung von Abfallprodukten herstellbar, andererseits aber auch gut handhabbar und kostengünstig transportierbar ist.
Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der gestellten Aufgabe durch ein Düngepellet auf Basis von Biokohle, bei dem die Biokohle mit Phosphat beladen und anschließend zu einem Pellet geformt wurde, wobei es sich bei dem Phosphat um rückgelöstes Phosphat handelt.
Als Pellet wird hier jede granulare Materie verstanden. Die Art der Pelletherstellung bestimmt dabei die Pelletgeometrie. So können Pellets insbesondere kugelförmig oder zylindrisch geformt sein. In der Regel sind Pellets das Ergebnis einer Formpressung und auf diese Weise gut handhabbar, transportierbar und ausbringbar.
Biokohle entsteht im Allgemeinen durch Verkohlung pflanzlicher Ausgangsstoffe. Sie kann aber auch durch hydrolytische Carbonisierung hergestellt werden. Zu den typischen Biokohlen zählen Holz- und Pflanzenkohlen. Vor allem entsteht Biokohle als Abfallprodukt bei der energetischen Nutzung von Holz, wenn die Verbrennung unvollständig erfolgt. Je nach Prozessbedingungen (Temperatur, Sauerstoffzufuhr und Prozessdauer) und Ausgangsstoff weist die Biokohle eine mikroporöse Struktur auf. Biokohle ist stark hydrophil und verfügt über ein gutes Adsorptionsvermögen für Nährstoffe, insbesondere für Phosphat. Ihr ausgeprägter Porenraum weist eine spezifische Oberfläche von bis zu 88 m²/g auf und bietet damit viele Adsorptionsplätze für gelöste Nährstoffe. Feinkörnig gemahlene Biokohle bietet eine besonders große Oberfläche.
Biokohle kann auch dazu beitragen, dass die Fruchtbarkeit vieler Böden erhalten wird. Aufgrund der adsorptiven Eigenschaften von Biokohle wird auf diese Weise eine Auswaschung der Böden vermindert.
Das Pflanzenwachstum ist aber auch abhängig vom pH-Wert des Bodens, weil der pH-Wert zum Beispiel die Verfügbarkeit der einzelnen Pflanzennährstoffe beeinflusst. Zwar können Pflanzen an hohe oder niedrige pH-Werte angepasst sein oder solche pH-Werte sogar benötigen. Generell sollte der pH-Wert im Boden aber im Neutralbereich (pH 7) oder darunter liegen. Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Düngepellet daher im Wesentlichen pH-Wert-neutral.
Werden phosphathaltige Lösungen zur Beladung von Biokohle eingesetzt, sind diese Lösungen in der Regel sauer. Biokohle bietet hier den Vorteil, dass der hohe pH-Wert der unbeladenen Biokohle sogleich zur Neutralisation der sauren Phosphatlösung beiträgt.
Eine phosphathaltige Lösung mit sehr niedrigem pH-Wert entsteht zum Beispiel dann, wenn als Phosphatquelle ein Magnesium-Ammonium-Phosphat (MAP) verwendet wird, wie es bei der Phosphatfällung in kommunalen Kläranlagen anfällt. Große Phosphat-Kristalle müssen nämlich in Gegenwart von Säure, wie zum Beispiel Schwefelsäure, gelöst werden.
Bei der Beladung der Biokohle mit Phosphat nimmt die Biokohle Wasser auf. So kann insbesondere bei der Verwendung von feinkörnigen Phosphatschlämmen eine pastöse Düngemasse entstehen, die beispielsweise einen Wasseranteil von mehr als 25 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 30 und 40 Gew.-% aufweist. Zur Herstellung eines Düngepellets muss der Wassergehalt jedoch noch weiter reduziert werden, beispielsweise auf Werte von weniger als 15 Gew.-%, vorzugsweise auf Werte von weniger als 10 Gew.-%. Relativ trockene Düngepellets bieten den Vorteil, dass ihr Transportvolumen bzw. Transportgewicht niedrig und eine Ausbringung der Düngepellets auch mittels Düngestreuern möglich ist. Darüber hinaus wird die organische Substanz durch den geringen Wassergehalt konserviert, so dass auch eine Lagerung der Düngepellets über einen längeren Zeitraum möglich ist. Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung derartiger Pellets sind allgemein bekannt. Beispielsweise kann eine so genannte Kollergangpresse auch zur Herstellung von Düngepellets eingesetzt werden.
Um den Wassergehalt der Mischung aus phosphathaltiger Lösung bzw. feinkörnigen Phosphatschlämmen und Biokohle zu reduzieren, eignen sich vor allem Pressen oder Zentrifugen. Eine weitere Reduzierung des Feuchtigkeitsgehalts kann mittels bekannter Schlammtrocknungsverfahren erfolgen, die zum Beispiel auf Kontakt-, Konvektions- oder Strahlungsvorgängen beruhen.
In überraschender Weise wurde jetzt gefunden, dass ausgehend von einer Mischung aus phosphathaltiger Schlammsuspension und Biokohle mit einem Wasseranteil von zum Beispiel 30 bis 40 Gew.-% eine weitere Reduzierung des Wassergehalts durch Zugabe von getrocknetem Gärrest erfolgen kann, um hierdurch ein noch besseres Düngemittel zu schaffen. Gärreste sind Rückstände, die bei der Biogasgewinnung anfallen. Sie verfügen über organische Substanz, die zu Düngezwecken nutzbar ist. Vor allem enthalten sie Stickstoff und Kalium. Getrockneter Gärrest stellt somit ein Trocknungsmittel dar und zugleich auch eine nützliche Düngekomponente. Das eingesetzte Trocknungsmittel wird mit der Biokohle zu Düngepellets geformt.
Unter Verwendung von getrocknetem Gärrest lässt sich der Wassergehalt der Düngepellets auf vorgegebene Werte gut einstellen. Ein bevorzugter Zielwassergehalt der Pellets liegt bei Werten von unter 15 Gew.-%. Hierzu muss der getrocknete Gärrest jedoch einen dementsprechend niedrigeren Wassergehalt aufweisen. Darüber hinaus lässt sich der Zielwassergehalt der Düngepellets auch über den Gärrestanteil im Düngepellet einstellen. Ein Gärrestanteil von 80% hat sich als geeignet erwiesen.
Wassergehalt und Anteil des getrockneten Gärrests können aber auch abhängig sein von Zusatzstoffen, die in den Düngepellets ebenfalls enthalten sein können. Werden den Pellets beispielsweise Quellhilfen wie Tierwolle oder polymere Quellhilfen zugesetzt, so können auch diese den Wassergehalt der Pellets beeinflussen. Das gleiche gilt beim Zusatz von weiteren Pflanzennährstoffen oder Spurenelementen, beispielsweise beim Zusatz von Hornspänen oder Horngrieß.
Ein weiterer Vorteil bietet sich für die meist ländlichen und dezentralen Biogasanlagen: Dort fällt vor allem in den Sommermonaten bei der Verstromung des Biogases im Blockheizkraftwerk überschüssige Wärme an, die bisher keiner Nutzung zugeführt wird. Ein solcher Wärmeüberschuss lässt sich nutzen, um Gärreste aufzubereiten und zu trocknen.
Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung eines Düngepellets auf Basis von Biokohle, bei dem man eine Schlammsuspension mit schwerlöslichen Phosphaten verwendet und den pH-Wert der Schlammsuspension absenkt, um die schwerlöslichen Phosphate ganz oder teilweise zu lösen, und bei dem die Schlammsuspension anschließend mit der Biokohle vermischt und die Biokohle mit Phosphat beladen wird.
Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, der Schlammsuspension mit schwerlöslichen Phosphaten eine schwefelsaurer Ammoniaklösung (Ammoniumsulfatlösung) zuzusetzen, die aus der Gärrestaufbereitung stammt. Ammoniumsulfat dient hierbei als zusätzliche Stickstoff- und Schwefelquelle. Anstelle einer Säurezugabe oder ergänzend hierzu ist es aber auch möglich, Biogas aus einer Biogasanlage durch die Schlammsuspension zu leiten. Hierdurch wird das Biogas gewaschen, und Kohlendioxid aus dem Biogas wird gelöst, wodurch es ebenfalls zu einer pH-Wert-Absenkung kommt.
Auf diese Weise können die oben für Biokohle beschriebenen Vorteile genutzt werden, um rückgelöstes Phosphat aus großen Phosphatkristallen zu verwerten. Um jedoch einen noch besser handhabbaren Pflanzendünger zu erzeugen, ist vorgesehen, dass nach Mischung der phosphathaltigen Schlammsuspension mit der Biokohle hieraus Düngepellets hergestellt werden, wie sie oben bereits beschrieben wurden.
In bevorzugter Weise wird der Mischung aus phosphathaltiger Schlammsuspension und Biokohle, auch hier ein Trocknungsmittel zugesetzt und das Trocknungsmittel mit zu Düngepellets geformt. Dabei kann es sich bei dem Trocknungsmittel wiederum um getrockneten Gärrest handeln.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und dem Prozessschaubild näher erläutert.
Bei der Verwendung von Phosphatschlämmen kommt es zunächst auf die Körnigkeit dieser Schlämme an. Während feinkörnige Phosphate unmittelbar mit der Biokohle in einem Mischungsreaktor (6) vermischt werden, müssen grobkörnige Phosphatschlämme einer Vorbehandlung unterzogen werden. Grobkörnige Phosphatschlämme gelangen zunächst in einen Reaktor (1), in dem sie mittels Säure aufgeschlossen werden. Hierbei treten schwerlösliche Phosphate, wie Mg/Ca-Phosphate, in Lösung. Anschließend erfolgt über ein Feinfilter (2) eine Beseitigung von etwaigen Störstoffen. Phosphatschlämme enthalten häufig einen Störstoffanteil von ca. 30% in Form von Sand, der Düngemittel bzw. Düngepellets unnötig belasten würde und von daher entfernt werden muss.
Die verbleibende Schlammsuspension ist sauer und kann vor einer Mischung mit Biokohle durch Laugenzugabe, zum Beispiel in Form von Natriumhydroxidlösung, in einem Mischungs- und Fällungsreaktor (3) ganz oder teilweise neutralisiert werden. Wie viel Lauge hierzu benötigte wird, hängt von der Art und der Konzentration der gelösten Phosphate bzw. der Menge an zugesetzter Säure ab.
Im Mischungsreaktor (6) erfolgt sodann eine Vermischung der Schlammsuspension mit Biokohle. Die Biokohle wird hierzu feinkörnig gemahlen, um eine möglichst große Oberfläche zur Beladung mit Phosphat zu erzeugen. Hierbei kann es aufgrund des basischen pH-Wertes der Biokohle in Teilen zu einer Rückkristallisation der Phosphate kommen. Die Biokohle wirkt dabei wie ein Kristallisationskern. Darüber hinaus wird die Biokohle auch noch mit anderen in der Schlammsuspension enthaltenen Nährstoffen beladen. Gleichzeitig wird aufgrund des geringen Wassergehalts der Biokohle ein Ausgleich zum hohen Wassergehalt der Schlammsuspension erreicht, so dass sich eine separate Trocknung erübrigt, wenn der für das Verpressen zu einem Pellet erforderliche Zielwassergehalt zum Beispiel durch Zugabe eines Trocknungsmittels, wie zum Beispiel getrockneter Gärrest, erreicht werden kann.
Gärreste können in Form von faserigen Substraten mit einem Wassergehalt von unter 75 Gew.-% oder in Form einer Suspension mit einem Trockensubstanzgehalt von 5 bis 10 Gew.-% vorkommen. Liegt der Gärrest in Form einer Suspension vor, findet zunächst eine Wasserabscheidung über einen Dekanter (4) statt. Bei weiterem Trocknungsbedarf kann anschließend eine Nachtrocknung vorgesehen sein.
Die Nachtrocknung des Gärrests erfolgt über einen Trockner (5), der als Konvektionstrockner ausgebildet sein kann und Abwärme eines Blockheizkraftwerkes nutzt. Das bei der Trocknung gegebenenfalls entstehende Ammoniak kann zur Einhaltung von Emissionsgrenzwerten mit Schwefelsäure in einem Säurewäscher (8) gewaschen und das entstehende Ammoniumsulfat über einen Mischer (9) der Mischung aus Schlammsuspension, Biokohle und Gärrest zugesetzt werden.
Sollte nach Trocknung des Gärrests eine Nachzerkleinerung erforderlich sein, kann diese durch eine Mühle (7) erfolgen.
Schließlich erfolgt die Pelletierung der getrockneten Festphase über eine Pelletpresse (10).

Claims

Düngepellet auf Basis von Biokohle, bei dem die Biokohle mit Phosphat beladen und anschließend zu einem Pellet geformt wurde, wobei es sich bei dem Phosphat um rückgelöstes Phosphat handelt.
Düngepellet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Düngepellet pH-Wert-neutral ist.
Düngepellet nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Düngepellet ein Trocknungsmittel enthält.
Düngepellet nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Trocknungsmittel um getrockneten Gärrest handelt.
Verfahren zur Herstellung eines Düngepellets auf Basis von Biokohle, bei dem man eine Schlammsuspension mit schwerlöslichen Phosphaten verwendet und den pH-Wert der Schlammsuspension absenkt, um die schwerlöslichen Phosphate ganz oder teilweise zu lösen, und bei dem die Schlammsuspension anschließend mit der Biokohle vermischt und die Biokohle mit Phosphat beladen wird, und dass nach Mischung der Schlammsuspension mit der Biokohle hieraus Düngepellets hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als schwerlösliche Phosphaten Magnesium-Ammonium-Phosphate aus Kläranlagen verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlammsuspension mit schwerlöslichen Phosphaten eine schwefelsaure Ammoniaklösung (Ammoniumsulfatlösung) zugesetzt wird, die aus der Gärrestaufbereitung stammt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischung aus Schlammsuspension und Biokohle ein Trocknungsmittel zugesetzt und das Trocknungsmittel mit zu Düngepellets geformt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Trocknungsmittel um getrockneten Gärrest handelt.