DE19742977A1

DE19742977A1 - Verfahren zur Entwässerung und Trocknung von wasserhaltigen Substanzen

Info

Publication number: DE19742977A1
Application number: DE19742977A
Authority: DE
Inventors: Olaf Dr Hornfeck; Volker Karotki
Original assignee: Rethmann Wasserwirtschaft GmbH and Co KG
Current assignee: Rethmann Wasserwirtschaft GmbH and Co KG
Priority date: 1997-09-29
Filing date: 1997-09-29
Publication date: 1999-04-01

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur weitergehenden Entwässe rung und Trocknung von bereits vorentwässerten wasserhaltigen Substanzen, bei dem durch sogenannte "kalte Trocknung" ein trockenes Pulver von Umge bungstemperatur bzw. wenig erhöhter Temperatur entsteht.

Wasserhaltige Produkte oder Schlämme, insbesondere eingedickte Schlämme aus Kläranlagen, vorzugsweise Schlämme aus kommunalen Kläranlagen oder Gülle, wurden bisher mechanisch entwässert, beispielsweise mit Dekantern, Siebbandpreßfiltern oder Kammerfilterpressen, und anschließend deponiert. Es war aber auch üblich, die dabei erhaltenen Produkte einer stofflichen Ver wertung der Nährstoffe in der Landwirtschaft zur Düngung oder zur Bodenver besserung zuzuführen.

Künftig, d. h. ab dem Jahre 2005, ist in Deutschland jedoch die Deponierung von Klärschlämmen aus kommunalen Kläranlagen wegen ihres hohen Koh lenstoff-Gehaltes nach der inzwischen verabschiedeten "TA (Technische Anlei tung) Siedlungsabfall" nicht mehr möglich. Entsprechende Auflagen gibt es in nahezu allen Industrieländern. Um in Zukunft Klärschlämme dennoch ablagern zu können, werden derzeit alternative Klärschlamm-Verwertungswege entwickelt. Dazu gehören die landwirtschaftliche und die thermische Verwertung.

Für eine befriedigende landwirtschaftliche Verwertung stehen jedoch ange sichts des enorm hohen Klärschlammaufkommens zu wenig Flächen zur Ver fügung. Problematisch ist auch die Akzeptanz wegen der dadurch möglicher weise auftretenden Schadstoff- und übermäßigen Nährstoffanreichungen im Boden.

Die Verbrennung von Klärschlämmen in Kraftwerken oder Zementöfen ist prinzipiell zwar möglich, zuvor muß der Klärschlamm aber getrocknet werden. Dies ist mit einem hohen Energieaufwand verbunden, so daß zur Durchfüh rung dieser Verfahrenskombination viel Energie und teure Maschinentechnik erforderlich sind.

Die bisher angewendeten Trocknungsverfahren sind mechanisch und ther misch sehr aufwendig, weil der Klärschlamm aufgrund seiner thixotropen Ei genschaften und seines relativ hohen Wasser-Gehalts (in der Regel 60 bis 80%) nicht einfach zu handhaben ist. Der für seine Trocknung innerhalb vernünf tiger Zeiträume erforderliche apparative Aufwand und der dafür erforderliche Energieverbrauch sind beträchtlich. Darüber hinaus ist auch die Klärschlamm- Verbrennung keine befriedigende stoffliche Verwertung, weil dabei Asche ent steht, die ihrerseits beseitigt werden muß.

Aufgabe der Erfindung war es daher, die Stoffkreisläufe besser zu schließen als mit den bisher bekannten Technologien unter gleichzeitiger Energieeinspa rung und vernünftiger wirtschaftlicher technischer Verwertung der dabei erhal tenen Endprodukte.

Es wurde nun gefunden, daß diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst werden kann, daß man bei einem Verfahren zur Entwässerung und Trocknung von wasserhaltigen Substanzen, insbesondere Klärschlämmen,

a) die wasserhaltigen Substanzen in einem Reaktor durch Wärmezufuhr auf eine erhöhte Temperatur, vorzugsweise mindestens 50°C, speziell 75 bis 100°C, bringt und
b) die so erwärmte wasserhaltige Substanz in eine Mahltrocknungsanlage überführt und darin unter Einleitung von Luft trockenmahlt.

Nach bevorzugten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ver wendet man
als wasserhaltige Substanz eine solche mit einem Wassergehalt von 20 bis 90 Gew.-%, vorzugsweise von 50 bis 80 Gew.-%;
als Reaktor ein Mischaggregat, vorzugsweise einen Schneckenförderer, und/oder
als Mahltrocknungsanlage eine Mikrowirbelmühle, insbesondere eine solche, wie sie in DE-PS 11 64 805 und in DE-A-35 43 370 beschrieben ist.

Gemäß weiteren bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung wird
der Mahltrocknungsanlage angesaugte Luft von Umgebungstemperatur bzw. Raumtemperatur zuführt;
wobei der der Mahltrocknungsanlage Luft in einer Menge von vorzugsweise 1000 bis 10 000 m³, insbesondere 1000 bis 5000 m³, pro Tonne konditionierter wasserhaltiger Substanz (Schlamm) zuführt wird und/oder
die zugeführte Luft vorzugsweise eine Temperatur von 10 bis 40°C, insbeson dere Umgebungstemperatur bzw. Raumtemperatur, hat.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens der Erfin dung wird der wasserhaltigen Substanz in der Stufe (a) Branntkalk zuführt, wobei dieser der wasserhaltigen Substanz vorzugsweise in einer Menge von 1 bis 8, speziell 2,5 bis 5 Gew.-Teilen CaO zu 10 Gew.-Teilen Wasser zuge mischt wird.

Die Mischzeit in der Stufe (a) beträgt vorzugsweise 30 s bis 30 min, insbeson dere 1 bis 10 min, bis die maximale Temperatur der exothermen Reaktion zwi schen Branntkalk und Wasser erreicht ist.

Die mit Branntkalk konditionierte wasserhaltige Substanz wird vorzugsweise im erwärmten Zustand in der Mahltrocknungsanlage feinst vermahlen bis auf eine Korngröße von unter 100 µm (Mittelwert) zur Erzielung einer möglichst großen Oberfläche. Das erfindungsgemäß Verfahren wird vorzugsweise so geführt, daß die Luft und das Mahlgut beim Austritt aus der Mahltrocknungsanlage, insbesondere der Mikrowirbelmühle, eine Temperatur haben, die nicht wesent lich höher ist als die Umgebungstemperatur, vorzugsweise um nicht mehr als 10°C höher ist als die Umgebungstemperatur. Das bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltene trockene pulverförmige Endprodukt kann sowohl als Additiv bei der Herstellung von Zement als auch als Kalk- Düngemittel, insbesondere zur großflächigen Düngung von umweltgeschädig ten Wäldern und Forsten, verwendet werden.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die bevorzugte Aus gestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, d. h. die Konditionierung von vorentwässertem Klärschlamm mit Branntkalk (Ätzkalk), näher beschrieben, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Dabei wird durch den Löschvorgang von Calciumoxid (Branntkalk bzw. Ätzkalk) zu Calciumhydrat in dem wasser haltigen Klärschlamm nach der folgenden Reaktion Wärme frei:

CaO + H₂O → Ca(OH)₂ + 1156 kJ bzw. 276 kcal.

Durch die stark exotherme Reaktion kann der wasserhaltigen Klärschlamm bis auf 50 bis 100°C erhitzt werden, je nach Zugabe von Branntkalk. Vorzugswei se wird er auf eine Temperatur von 75 bis 95°C erhitzt.

Durch diesen Löschvorgang werden pro kg CaO nach der obengenannten chemischen Gleichung 0,32 kg Wasser in Form von Hydrat gebunden. Infolge der dabei auftretenden Wärmeentwicklung von 276 kcal werden dabei zusätz lich etwa 0,2 bis 0,3 kg Wasser verdampft. Dieser exotherme Trocknungseffekt reicht jedoch noch nicht aus, um einen wasserhaltigen Klärschlamm mit einer angemessenen Kalkmenge vollständig zu trocknen. Üblicherweise enthält Klärschlamm pro Tonne etwa 600 bis 700 kg Wasser, so daß nach Zugabe von beispielsweise 20% CaO noch ca. 450 kg Restwasser verbleiben.

Erfindungsgemäß wurde nun überraschend gefunden, daß die Wasserabgabe und damit die gewünschte Trocknung erheblich beschleunigt und verbessert werden können, wenn der mit Calciumoxid (Branntkalk) konditionierte, heiße Klärschlamm unmittelbar danach in einer Mahltrocknungsanlage, vorzugswei se eine Mikrowirbelmühle, wie sie in DE-PS 11 64 805 und in DE-A-35 43 370 beschrieben ist, trockengemahlen wird. Bei der genannten Mikrowirbelmühle handelt es sich um ein Turbinen-ähnliches Aggregat, dem zur Mahltrocknung von feuchten Substanzen üblicherweise heiße Luft zugeführt wird. Überra schenderweise hat sich beim Einsatz dieses Aggregats gezeigt, daß eine Zu führung von heißer Luft nicht erforderlich ist, sondern die exotherme Energie des Löschvorganges ausreicht, um die gewünschte weitestgehende Klär schlammtrocknung zu gewährleisten. Es hat sich überraschend gezeigt, daß schon mit relativ geringen Luftmengen getrocknet werden kann, nämlich mit 1000 bis 5000 m³ pro 1000 kg Kalk-Schlamm (d. h. mit Branntkalk versetzter wasserhaltiger Substanz).

Erfindungsgemäß muß die Mühle in Kombination mit der Luftmenge so einge stellt werden, daß eine optimale Oberflächenvergrößerung der zu trocknenden Feststoffpartikel in der Weise erreicht wird, daß die mittlere Korngröße etwa 100 µm beträgt. Überraschenderweise wird dadurch auch erreicht, daß die gesamte Wärme über die Luftmenge abgeführt wird und somit ein kaltes (kühles), trockenes Pulver entsteht. Dies ist insofern von außerordentlichem Vorteil, weil dadurch die sonst übliche Produktkühlung entfällt und das End produkt problemlos (ohne Gefahr der thermischen Selbstentzündung) in Silos gelagert werden kann.

Der so behandelte Klärschlamm, nachstehend KKS genannt (Kalk-Klär schlamm, Konditionierung mit Branntkalk, Mahltrocknung in einer Mikrowirbel mühle) ist aufgrund seiner Zusammensetzung und Konsistenz direkt als Roh stoff für die Herstellung von Zement geeignet. Seine chemische Zusammen setzung ist im Vergleich zu Zement wie folgt:

Der Kohlenstoff-Gehalt im erfindungsgemäß erhaltenen Endprodukt KKS ent spricht einem Heizwert von 3000 bis 5000 kJ und ist somit auch Energieträger und Substitut für Brennstoffe, die für das Brennen von Zement benötigt wer den.

Das nach der Branntkalk-Konditionierung und der Behandlung in einer Mikro wirbelmühle erhaltene trockengemahlene Pulver aus Klärschlamm und Kalk wird erfindungsgemäß so fein gemahlen, daß es fließfähig ist und ohne Pro bleme in geeigneten Silos gelagert und in Silofahrzeugen transportiert und pneumatisch gefördert werden kann. Dadurch ergeben sich weitere Vorteile beim Transport, der Lagerung und der Anwendung, insbesondere der Dosie rung, in Zementfabriken. Üblicherweise bevorzugen Zementfabriken nämlich pulverförmige Rohstoffe wegen ihrer leichten Handhabung und Dosierbarkeit.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Aus führungsform näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Alle darin angegebenen Prozentsätze beziehen sich auf das Gewicht.

Beispiel 1

Für die Versuche wurde ausgefaulter, entwässerter Klärschlamm aus einer kommunalen biologischen Kläranlage verwendet. 100 g Schlamm wurden mit unterschiedlichen Mengen Branntkalk gemischt. Nach 3 min wurde die Tempe ratur mit einem Thermometer gemessen. Nach Abkühlung an der Luft (nach 2 h) wurde der Wassergehalt des behandelten Schlammes bestimmt. Dazu wur den die Proben bis zur Gewichtskonstanz bei 105°C in einem Trockenschrank getrocknet und der Rückstand zurückgewogen. Die Differenz zur Einwaage wurde als Wassergehalt (% H₂O) bestimmt.

In Abhängigkeit von der CaO-Zugabe wurde nach der Formel (gCaO. 0,32)/(100 - % H₂O.100) der chemisch zu Hydroxid umgesetzte Wassergehalt (H₂O_chem.) errechnet. Anschließend wurde aus der Differenz des Wassergehal tes des unbehandelten Schlammes zu den konditionierten Proben der durch die exotherme Reaktion zusätzlich entfernte Anteil an Wasser berechnet (H₂O_exoth.). Dabei wurden folgende Resultate erhalten:

Die Resultate des Versuches verdeutlichen den Effekt, daß durch Zugabe von z. B. 20 kg Branntkalk pro 100 kg Klärschlamm (mit 72,3% H₂O) der Wasser gehalt um 11,8% durch chemische Bindung und um 14,7% durch die exo therme Reaktion abnimmt. Der Restwassergehalt beträgt danach aber immer noch 45,8%.

Beispiel 2

In einem Mischer wurden chargenweise 100 kg Klärschlamm (Faulschlamm aus einer kommunalen Kläranlage) mit 25 kg Branntkalk gemischt. Der Klär schlamm hatte einen Wassergehalt von 69,3%. Während des Mischvorgan ges stieg die Temperatur des Schlammes innerhalb weniger Minuten von Raumtemperatur auf ca. 85°C. Der so erhitzte Schlamm wurde mit Hilfe einer Schnecke einer Mikrowirbelmühle zugeführt. In der Mikrowirbelmühle erfolgte die Mahltrocknung ohne die sonst übliche externe Wärmezufuhr.

Die Mühle wurde bei konstanter Produktdosierung von 500 kg/h mit unter schiedlichen Luftmengen gefahren und es wurde die Temperatur der Luft und der Produkte festgehalten. Weiterhin wurden die Restfeuchte und die Kornver teilung bestimmt. Die erhaltenen Ergebnisse sind nachstehend angegeben.

Das Reaktionsprodukt wurde über einen Sichter (Filter) abgeschieden. Das trockengemahlene Produkt war kalt (kühl), trocken und fließfähig und enthielt im wesentlichen die folgenden Komponenten:

% Wasser	7,3
% CaO	37,0
% Al₂O₃	4,6
% CO₂	11,0
% SiO₂	12,0
Heizwert, kJ	2500

Im Vergleich zum Beispiel 1 wurde in der Mikrowirbelmühle durch Zuführung von nicht erwärmter Luft der restliche Wassergehalt von 39,0% bis auf eine Restfeuchte von 7,3% fast völlig entfernt. Die Daten machen eindrucksvoll deutlich, daß die Mahlung erfindungsgemäß so durchgeführt werden muß, daß eine ausreichend große Produktoberfläche (mittlere Körnung etwa 100 µm, im Versuch 65 µm) erreicht wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die bekannten Technologien zur Lösung der eingangs genannten erfindungsgemäßen Aufgabe zu einem Gesamtkonzept vereinigt, das die vorstehend dargestellten eindrucksvollen technischen Vorteile mit sich bringt. Dabei wird eine (vorzugsweise auf "chemischem Wege") vorerwärmte Substanz (vorzugsweise durch Zugabe von Branntkalk zu einem wasserhaltigen Ausgangsmaterial) mit nicht erwärmter Luft "auf kaltem Wege" getrocknet bzw. trockengemahlen und gleichzeitig ge kühlt. Dieses Verfahren, das die Stufen Erwärmen der zu trocknenden wasser haltigen Substanz (vorzugsweise durch Mischen von Klärschlamm/Gülle mit Branntkalk) und Mahltrocknung des in der vorhergehenden Stufe erhaltenen heißen Produkts umfaßt, ergibt ein pulverförmiges, fließfähiges kühles End produkt, das in einem großtechnischen Maßstab auf wirtschaftlich sinnvolle und umweltfreundliche Weise stofflich verwertet werden kann, vorzugsweise in der Zementindustrie und in der Düngemittelindustrie.

Claims

1. Verfahren zur Entwässerung und Trocknung von wasserhaltigen Sub stanzen, insbesondere Klärschlämmen, dadurch gekennzeichnet, daß man

a) die wasserhaltigen Substanzen in einen Reaktor durch Wärmezufuhr auf eine erhöhte Temperatur, vorzugsweise mindestens 50°C, speziell 75 bis 100°C, bringt und
b) die erwärmte wasserhaltige Substanz in eine Mahltrocknungsanlage überführt und darin unter Einleitung von Luft trockenmahlt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als wasserhaltige Substanz eine solche mit einem Wassergehalt von 90 bis 20 Gew.-%, vorzugsweise von 80 bis 50 Gew.-%, verwendet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als Reaktor ein Mischaggregat, vorzugsweise einen Schneckenförderer, ver wendet.

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch ge kennzeichnet, daß man als Mahltrocknungsanlage eine Mikrowirbelmühle nach DE-PS 11 64 805 und DE-A-35 43 370 verwendet.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß man der Mahltrocknungsanlage aus der Umgebung ange saugte Luft von Umgebungstemperatur bzw. Raumtemperatur zuführt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man der Mahltrocknungsanlage Luft in einer Menge von 1000 bis 10 000 m³, vorzugs weise von 1000 bis 5000 m³, pro Tonne konditionierter wasserhaltiger Sub stanz (Schlamm) zuführt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zugeführ te Luft eine Temperatur von 10 bis 40°C, vorzugsweise Raumtemperatur, hat.

8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß man der wasserhaltigen Substanz in der Stufe (a) Brannt kalk zumischt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man den Branntkalk der wasserhaltigen Substanz in einer Menge von 1 bis 8, vorzugs weise von 2,5 bis 5 Gew.-Teilen CaO zu 10 Gew.-Teilen Wasser, zumischt.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischzeit in der Stufe (a) 30 s bis 30 min, vorzugsweise 1 bis 10 min, beträgt, bis die maximale Temperatur der exothermen Reaktion erreicht ist.

11. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch ge kennzeichnet, daß man die mit Branntkalk konditionierte wasserhaltige Sub stanz im erwärmten Zustand in der Mahltrocknungsanlage feinst vermahlt bis auf einer Korngröße von unter 100 µm (Mittelwert) zur Erzielung einer mög lichst großen Oberfläche.

12. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge kennzeichnet, daß die Luft und das Mahlgut beim Austritt aus der Mahl trocknungsanlage eine Temperatur haben, die nicht wesentlich höher ist als die Umgebungstemperatur, vorzugsweise um nicht mehr als 10°C höher ist als die Umgebungstemperatur.

13. Verwendung des bei dem Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 12 er haltenen Produkts als Additiv bei der Herstellung von Zement oder als Kalk- Düngemittel.