DE10217432B4

DE10217432B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Trocknen und Vergasen von Schlamm

Info

Publication number: DE10217432B4
Application number: DE2002117432
Authority: DE
Inventors: Harald Dipl.-Ing. Egner; Siegfried Egner
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2002-04-18
Filing date: 2002-04-18
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2022-04-19
Also published as: AU2003233954A1; WO2003086991A1; DE10217432A1

Abstract

Verfahren zum Trocknen und Vergasen von Schlamm, insbesondere von Überschussschlamm aus biologischen Klärprozessen, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
– Erwärmen des Schlamms von Umgebungstemperatur auf Siedetemperatur von Wasser durch Mikrowellen- oder Hochfrequenzstrahlung,
– thermisches Trocknen des Schlamms und Abziehen des Wasserdampfs,
– Erwärmen des Schlamms von der Siedetemperatur des Wasser s auf eine Vergasungstemperatur durch Mikrowellen- oder Hochfrequenzstrahlung,
– Vergasen des Schlamms unter Abwesenheit von Sauerstoff und Abziehen des Produktgases.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trocknen und Vergasen von Schlamm, insbesondere von Überschussschlamm aus biologischen Klärprozessen sowie einen Konverter nach dem nebengeordneten Anspruch 7 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Bislang wird Klärschlamm entweder getrocknet und auf Deponien gelagert oder nach der Trocknung verbrannt. Wenn der Klärschlamm getrocknet und auf Deponien gelagert wird, wird ein sehr großes Deponievolumen beansprucht und außerdem besteht die Möglichkeit, dass nach erfolgter Deponierung chemische und/oder biologische Reaktionen im Klärschlamm beginnen, die im Allgemeinen unerwünscht sind. Wenn der Klärschlamm verbrannt wird, geschieht dies mit einem Restfeuchtegehalt von etwa 30 % in großen Müllverbrennungsanlagen. Da die Müllverbrennungsanlagen und der Entstehungsort der Klärschlämme in der Regel nicht nahe beieinander liegen, ist es erforderlich, große Klärschlammmengen über weite Strecken zu transportieren, bevor sie verbrannt werden können. Beide Verfahren nach dem Stand der Technik sind teuer und belasten die Umwelt.
Ein weiteres Verfahren zur Behandlung von Klärschlamm ist die sog. Pyrolyse, bei der eine rotierende, beheizte Schweltrommel den Klärschlamm aufnimmt. Dort wird der Klärschlamm unter Luftabschluss auf bis zu 700 ° Celsius erhitzt und zersetzt sich in ein Schwelgas und Feststoffe. Mit dem Schwelgas kann bspw. ein Blockheizkraftwerk angetrieben werden. Diese Technik ist bislang nur in wenigen Pilotanlagen ausprobiert worden und hat sich als noch nicht ausgereift erwiesen. Auch bei diesem Verfahren ist der prinzipielle Nachteil vorhanden, dass die großen und teuren Pyrolyseanlagen ortsfest errichtet werden und deshalb der Klärschlamm per LKW oder Zug von den verschiedenen Kläranlagen zu der Pyrolyseanlage transportiert werden muss. Außerdem kann es wegen der auftretenden Temperaturen zur Bildung giftiger Substanzen kommen.

Aus der DE 197 32 080 A1 , der DE 43 23 811 A1 , der DE 37 34 281 A1 und der DE 34 18 101 A1 sind Verfahren zur Behandlung organischer Substanzen bekannt, bei welchen die zu behandelnde Substanz mit Mikrowellen beheizt wird. Zur Ergänzung dieser Mikrowellentrocknung werden teilweise Vorentwässerungen durchgeführt oder der bei der Trocknung entstehenden Brüden wird zur Vorwärmung der zu behandelnden Substanz verwandt.

Vorteile der Erfindung

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Trocknen und Vergasen von Schlamm, insbesondere von Überschussschlamm aus biologischen Klärprozessen, welches die folgenden Verfahrensschritte aufweist:

– Erwärmen des Schlamms von Umgebungstemperatur auf die Siedetemperatur von Wasser durch Mikrowellen oder Hochfrequenzstrahlung,
– thermische Trocknung des Schlamms und Abziehendes dabei entstehenden Wasserdampfs,
– Erwärmen des Schlamms von der Siedetemperatur des Wassers auf eine Vergasungstemperatur durch Mikrowellen oder Hochfrequenzstrahlung,
– Vergasen des Schlamms unter Abwesenheit von Sauerstoff und Abziehen des Produktgases.

Durch dieses Verfahren ist es möglich, den Klärschlamm zum einen von Umgebungstemperatur auf die Siedetemperatur des Wassers schnell und gleichmäßig überwiegend durch Mikrowellen- oder Hochfrequenzstrahlung zu erwärmen. Die Wärme muss dabei nicht, wie bei konvektiver Wärmeübertragung von außen nach innen durch den Klärschlamm wandern, sondern die energiereiche Mikrowellen- oder Hochfrequenzstrahlung gelangt ins Innere des Klärschlamms und wird dort in Wärme umgewandelt. Daraus resultiert eine erhebliche Verkürzung der Aufwärmzeit. Daran anschließend wird der Schlamm thermisch getrocknet, so dass auf einfache und bewährte Weise die Verdampfungswärme des im Schlamm enthaltenen Wassers in diesen eingekoppelt werden kann.

Nachdem ein Großteil des im Schlamm enthaltenen Wassers verdampft und der dabei entstandene Wasserdampf abgezogen wurde, wird der Schlamm von der Siedetemperatur des Wassers auf eine Vergasungstemperatur ebenfalls überwiegend durch Mikrowellen- oder Hochfrequenzstrahlung auf etwa 400°C bis 450°C erwärmt. Auch hierbei steht wieder die effiziente und schnelle Erwärmung des Schlamms im Vordergrund, welche eine Erhöhung des Durchsatzes ermöglicht. Daran anschließend wird der Schlamm, welcher einen minimalen Restfeuchtegehalt aufweist, unter Abwesenheit von Sauerstoff vergast und das Produktgas abgezogen. Die verbleibende Trockensubstanz weist ein kleines Volumen und Gewicht auf und ist chemisch inert sowie biologisch nicht mehr aktivierbar, so dass sie ohne weiteres deponierbar ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren laufen alle Verfahrensschritte direkt nacheinander in einer Anlage ab, so dass der Bauaufwand für die Errichtung eines Konverters zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens minimiert wird, die Durchsatzmenge maximiert wird und der Energiebedarf minimal ist, da der Schlamm zwischenzeitlich nicht wieder abgekühlt und später erneut erwärmt werden muss.

Bei einer weiteren Variante der Erfindung wird das Produktgas in einem Blockheizkraftwerk zur Erzeugung von elektrischer Energie und/oder Wärme eingesetzt. Die dabei entstehende elektrische Energie kann für die Mikrowellen- oder Hochfrequenztrocknung des Schlamms eingesetzt werden. In gleicher Weise kann die im Blockheizkraftwerk anfallende Abwärme, insbesondere des Kühlwassers und der Abgase, zur Trocknung des Schlamms eingesetzt werden. Gleiches gilt für die nach der Vergasung des Schlamms zurückbleibende Trockensubstanz. Diese Trockensubstanz hat eine Temperatur von etwa 400 – 450 ° Celsius und kann in einem Wärmetauscher abgekühlt werden und die dabei gewonnene Abwärme kann zur Trocknung des Schlamms eingesetzt werden. Durch die Kombination dieser verschiedenen Möglichkeiten der Abwärmenutzung, verbunden mit der Erzeugung elektrischer Energie aus dem Produktgas und der erfindungsgemäßen Prozessführung ohne zwischenzeitliches Abkühlen des Schlamms kann das erfindungsgemäße Verfahren nahezu ohne Zufuhr von Fremdenergie durchgeführt werden. Selbstverständlich muss zum Anfahren des Prozesses zunächst Energie aufgebracht werden. Sobald jedoch ein stabiler Zustand bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erreicht wurde, läuft es mehr oder weniger energieautark ab.

Die erfindungsgemäßen Vorteile lassen sich in einem Konverter zur Trocknung und Vergasung von Schlamm, insbesondere von Überschussschlamm aus biologischen Klärprozessen, mit einer ersten Mikrowelle, einem Schlammtrockner, einer zweiten Mikrowelle und einem Abschnitt zur Vergasung des Schlamms vorteilhaft realisieren. Dabei kann der Konverter als eine Baueinheit ausgeführt werden, bspw. ähnlich wie ein Drehrohrofen.

Zur weiteren Verbesserung des erfindungsgemäßen Konverters ist vorgesehen, dass der Schlammtrockner einen Dampfabzug zum Abzug des aus dem Schlamm verdampften Wassers und einen Wärmetauscher im Dampfabzug zur Rückgewinnung der im Dampf erhaltenen Kondensations- bzw. Verdampfungsenthalpie aufweist.

Der Schlammtrockner ist vorzugsweise so ausgeführt, dass er einen Wärmetauscher zur Einkopplung thermischer Energie in den Klärschlamm aufweist. Des Weiteren ist vorgesehen, dass in dem Abschnitt zur Vergasung des Schlamms ein Abzug für das Produktgas, insbesondere mit einem Filter, existiert. Dadurch kann das bei der Verschwelung/Vergasung entstehende Produktgas einfach gesammelt und einer Nutzung zugeführt werden. Eine solche Nutzung kann vorteilhafterweise darin bestehen, mit Produktgas ein Blockheizkraftwerk anzutreiben, welches den zum Betrieb der Mikrowellenquellen erforderlichen elektrischen Energie und die zur Trocknung des Schlamms erforderliche thermische Energie bereitstellt.

Um die im entgasten Klärschlamm enthaltene Wärme nutzen zu können, kann in weiterer Fortbildung des erfindungsgemäßen Konverters ein Wärmetauscher vorgesehen sein. Die in dem Wärmetauscher gewonnene Abwärme kann ebenfalls zur Trocknung des Klärschlamms eingesetzt werden.

Eine weitere Vereinfachung des Handling des Klärschlamms wird erreicht, wenn vor dem Eintritt in den eigentlichen Konverter eine Pelletierung des Klärschlamms erfolgt. Dadurch wird die Handhabbarkeit des Klärschlamms verbessert und außerdem ist die Wärmeübertragung bei der Schlammtrocknung besser.

Der erfindungsgemäße Konverter kann inclusive aller Nebenaggregate so kompakt ausgeführt werden, dass er transportabel ist, d. h. er kann mit Hilfe eines Sattelschleppers zu einer Kläranlage gefahren werden. Dort kann die Entgasung und Aufbereitung des Klärschlamms erfolgen, so dass erhebliche Transportmengen eingespart werden. Die eingesparten Transportmengen entsprechen etwa der Menge des ursprünglich im Klärschlamm enthaltenen Wassers und des Produktgases, welches aus dem Klärschlamm entwichen ist. Transportiert werden müssen nur noch die inerten, d. h. chemisch und biologisch nicht mehr aktiven, Klärschlammpellets, deren Masse und Volumen durch die erfindungsgemäße Behandlung deutlich gegenüber dem Ausgangsstoff reduziert werden.

Weil der erfindungsgemäße Konverter so kompakt baut, ist es auch nicht nötigt, dass jede Kläranlage einen solchen Konverter besitzt, sondern es ist möglich, das Vertragsunternehmen bei Bedarf eine Kläranlage anfahren, dort die erfindungsgemäße Klärschlammbehandlung vornehmen und anschließend zu einer nächsten Kläranlage weiterfahren.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Zeichnung
Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Konverters, anhand derer der Aufbau des Konverters und der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens verdeutlicht wird.
Der Klärschlammm, in der Figur als Input bezeichnet, durchläuft den in seiner Gesamtheit mit 1 bezeichneten Konverter von links nach rechts. Der Klärschlamm wird vor dem Eintritt in den eigentlichen Konverter 1 in einer Vorrichtung 3 pelletiert, d. h. in kleine Kügelchen geformt. Diese kleinen Kügelchen, auch Pellets genannt, halten so gut zusammen, dass sie den Transport durch den Konverter 1 mehr oder weniger unbeschadet überstehen und auch das Endprodukt, nämlich die getrocknete und entgaste Trockensubstanz des Klärschlamms, nach dem Durchlaufen des Konverters 1 als Pellets vorliegt. Die Pelletierung ist in 1 durch die Aufspaltung des dicken Pfeils 5 in mehrere kleine Pfeile 7 angedeutet.
Die Pellets treten etwa bei Umgebungstemperatur, entsprechend. im Mittel etwa 20 ° Celsius, in den eigentlichen Konverter 1 ein. Dort werden sie von einer ersten Mikrowellenquelle 9 auf etwa 100 ° Celsius erwärmt. Diese 100 ° Celsius entsprechen in etwa der Siedetemperatur des in den Pellets enthaltenen Wassers. Durch den Einsatz der ersten Mikrowellenquelle 9 ist es möglich, die Pellets sehr schnell und sehr gleichmäßig auf die Siedetemperatur von 100 ° Celsius zu bringen, da, anders als bei thermischer Erwärmung, die in der Mikrowellenstrahlung enthaltene Energie bis ins Innerste der Pellets und des Konverters 1 gelangt und erst dort in Wärme umgewandelt wird. D. h., anders als bei thermischer Erwärmung, erwärmen sich die Pellets im Inneren des Konverters schneller als die am äußeren Durchmesser des Konverters befindlichen Pellets, da letztgenannte Pellets stets Wärme durch den Konverter 1 nach außen an die Umgebung abgeben. Sobald die Pellets auf etwa 100 ° erwärmt wurden, werden sie zunächst zusätzlich und anschließend ausschließlich mit thermischer Energie beaufschlagt. Die Beaufschlagung der Pellets mit thermischer Energie ist durch einen Pfeil 11 angedeutet.
Der Bereich 13, innerhalb dessen den Pellets der Grossteil des Wassers entzogen wird, wird im Zusammenhang mit der Erfindung als Schlammtrocknung bezeichnet. Der bei der Schlammtrocknung 13 anfallende Wasserdampf wird durch einen Dampfabzug 15 aus dem Konverter 1 abgezogen. In dem Dampfabzug 15 ist ein erster Wärmetauscher 17 integriert, welcher die im Wasserdampf enthaltene Enthalpie zurückgewinnt und einer erneuten Verwendung in der Schlammtrocknung 13 zuführt. Wenn die Schlammtrocknung im Wesentlichen abgeschlossen wurde, d. h. der Restfeuchtegehalt deutlich verringert wurde, setzt eine erneute Bestrahlung der Pellets mit einer zweiten Mikrowellenquelle 19 ein. Dabei werden die Pellets von etwa 120 ° Celsius auf ungefähr 400 – 450 ° Celsius erwärmt. Am Ende dieser Erwärmung haben die Pellets noch einen Restfeuchtegehalt von 5 % oder weniger. Dies bedeutet, dass eine daran anschließende Vergasung 21 ohne Beeinträchtigungen durch das in den Pellets noch enthaltene Wasser möglich ist.
Der Übergang zwischen den einzelnen Phasen innerhalb des Konverters 1, insbesondere die Erwärmung der Pellets durch die erste Mikrowellenquelle 9, der Schlammtrocknung 13 und die weitere Erwärmung der Pellets auf etwa 400°C bis 450 °C durch die zweite Mikrowellenquelle 19 sind nicht streng und scharf voneinander abgegrenzt, sondern weisen Übergangsbereiche auf.
Die Vergasung 21 erfolgt unter Luftabschluss und führt dazu, dass aus den Pellets ein Produktgas austritt. Dieses Produktgas (nicht dargestellt) wird in einem Gasabzug 23 abgezogen. In dem Gasabzug 23 ist ein Filter 25 vorgesehen, in dem das Produktgas gereinigt wird. Anschließend gelangt das Produktgas in ein Blockheizkraftwerk 27.
In dem Blockheizkraftwerk 27 wird das Produktgas eingesetzt, um elektrische und thermische Energie bereitzustellen. Die elektrische Energie wird vor allem zum Betreiben der ersten Mikrowellenquelle 9 und der zweiten Mikrowellenquelle 19 eingesetzt. Dazu liefert das Blockheizkraftwerk 27 elektrische Energie zu einem Mikrowellengenerator 29, der Teil sowohl der ersten Mikrowellenquelle 9 als auch der zweiten Mikrowellenquelle 19 ist.
Nachdem die Pellets vollständig entgast wurden und somit nur noch eine inerte und biologisch nicht mehr aktive und auch nicht mehr aktivierbare Trockensubstanz zurückgeblieben ist, werden sie einem zweiten Wärmetauscher 31 zugeführt. Dort wird die in den Pellets enthaltene sensible Wärme auf einen Wärmeträger übertragen und zur Schlammtrocknung eingesetzt.
Die verschiedenen Möglichkeiten der Abwärmenutzung innerhalb des Konverters 1 sind durch Pfeile 33, 35, 37 und 39 angedeutet. Dabei ist jedoch zu beachten, dass es sich hierbei um eine vereinfachte Prinzipdarstellung handelt. Die unterschiedlichen Temperaturniveaus, auf denen die Abwärme abfällt, können und sollten bei der Anlagenoptimierung berücksichtigt werden. Dies bedeutet bspw., dass nicht Abwärme, die bei einem Temperaturniveau von bspw. 400 ° im zweiten Wärmetauscher 31 anfällt, mit der Niedertemperaturabwärme (< 100°C) aus dem ersten Wärmetauscher 17 vermischt wird.
Der erfindungsgemäße Konverter 1 kann inclusive aller Aggregate, wie bspw. der Vorrichtung 3, dem zweiten Wärmetauscher 31 und dem Blockheizkraftwerk 27 transportabel ausgeführt werden, so dass er zum Einsatzort mit einem LKW geschleppt werden kann. Dadurch lässt sich die Auslastung des erfindungsgemäßen Konverters optimieren, die Betreiber von Kläranlagen sind nicht gezwungen, einen solchen Konverter anzuschaffen, sondern können ihn bei Bedarf mieten oder Lohnunternehmen mit der Trocknung und Inertisierung des Schlamms bei Bedarf beauftragen.
Aas besonders vorteilhaft hat sich das Trocknen des Schlamms mit Hilfe von überhitztem Dampf herausgestellt.
Verfahren und Vorrichtungen zum Trocknen von feuchten Materialen sind in den US-Patenten US 5,228,211 und US 5,711,086 beschrieben.
Die in den beiden genannten US-Patenten beschriebenen Verfahren oder Vorrichtungen können, gegebenenfalls mittels einer entsprechenden Anpassung, dazu verwendet werden, das Trocknen des Schlamms mit Hilfe von überhitztem Dampf durchzuführen.

Claims

Verfahren zum Trocknen und Vergasen von Schlamm, insbesondere von Überschussschlamm aus biologischen Klärprozessen, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Erwärmen des Schlamms von Umgebungstemperatur auf Siedetemperatur von Wasser durch Mikrowellen- oder Hochfrequenzstrahlung, – thermisches Trocknen des Schlamms und Abziehen des Wasserdampfs, – Erwärmen des Schlamms von der Siedetemperatur des Wasser s auf eine Vergasungstemperatur durch Mikrowellen- oder Hochfrequenzstrahlung, – Vergasen des Schlamms unter Abwesenheit von Sauerstoff und Abziehen des Produktgases.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Produktgas in einem Blockheizkraftwerk (27) zur Erzeugung von elektrischer Energie und/oder Wärme eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Blockheizkraftwerk (27) erzeugte elektrische Energie für die Mikrowellen- oder Hochfrequenztrocknung des Schlamms eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die im Blockheizkraftwerk (27) anfallende Abwärme, insbesondere des Kühlwassers und der Abgase, zur Trocknung des Schlamms eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nach der Vergasung des Schlamms zurückbleibende Trockensubstanz abgekühlt und die dabei gewonnenen Abwärme zur Trocknung des Schlamms eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trocknen des Schlamms mit Hilfe von überhitztem Dampf durchgeführt wird.
Konverter zur Trocknung und Vergasung von Schlamm, insbesondere von Überschussschlamm aus biologischen Klärprozessen, mit einer ersten Mikrowellenquelle (9), einem Schlammtrockner (13), einer zweiten Mikrowellenquelle (19) und einem Abschnitt (21) zur Vergasung des Schlamms.
Konverter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlammtrockner (13) einen Dampfabzug (15) aufweist.
Konverter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampfabzug (15) einen ersten Wärmetauscher (17) aufweist.
Konverter nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlammtrockner (13) einen Wärmetauscher zur Einkopplung thermischer Energie in den Schlamm aufweist.
Konverter nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt (21) zur Vergasung des Schlamms einen Gasabzug (23) für das Produktgas aufweist.
Konverter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasabzug (23) einen Filter (25) aufweist.
Konverter nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Konverter (1) ein Blockheizkraftwerk (27) zur Erzeugung von elektrischer Energie und/oder thermischer Energie zur Schlammbehandlung aufweist.
Konverter nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung (1) zur Formgebung des Schlamms, insbesondere zur Pelletierung vorgesehen ist.
Konverter nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Wärmetauscher (31) zur Rückgewinnung der im entgasten Schlamm enthaltenen Wärme vorgesehen ist.
Konverter nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Konverter (1) transportabel ausgeführt ist.