EP1274656A1 - Konditionierungsverfahren biogener feststoffe - Google Patents

Konditionierungsverfahren biogener feststoffe

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Publication number
EP1274656A1
EP1274656A1 EP01937982A EP01937982A EP1274656A1 EP 1274656 A1 EP1274656 A1 EP 1274656A1 EP 01937982 A EP01937982 A EP 01937982A EP 01937982 A EP01937982 A EP 01937982A EP 1274656 A1 EP1274656 A1 EP 1274656A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas
conditioning
pyrolysis
gasification
sewage
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01937982A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Reiner Numrich
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Daub Roman
Hautz Axel
Original Assignee
Daub Roman
Hautz Axel
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Filing date
Publication date
Application filed by Daub Roman, Hautz Axel filed Critical Daub Roman
Publication of EP1274656A1 publication Critical patent/EP1274656A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F11/00—Treatment of sludge; Devices therefor
    • C02F11/10—Treatment of sludge; Devices therefor by pyrolysis
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F11/00—Treatment of sludge; Devices therefor
    • C02F11/02—Biological treatment
    • C02F11/04—Anaerobic treatment; Production of methane by such processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/04—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses for producing gas, e.g. biogas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M43/00—Combinations of bioreactors or fermenters with other apparatus
    • C12M43/08—Bioreactors or fermenters combined with devices or plants for production of electricity
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M47/00—Means for after-treatment of the produced biomass or of the fermentation or metabolic products, e.g. storage of biomass
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M47/00—Means for after-treatment of the produced biomass or of the fermentation or metabolic products, e.g. storage of biomass
    • C12M47/14—Drying
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W10/00—Technologies for wastewater treatment
    • Y02W10/40—Valorisation of by-products of wastewater, sewage or sludge processing

Definitions

  • the invention relates to a method of conditioning biogenic solids.
  • waste in particular of biogenic solids, such as sewage sludge, waste wood, organic waste and the like, is increasingly becoming a problem in terms of quantity alone.
  • the method according to the invention has a number of advantages. These come into play particularly when existing resources can be used, for example already existing treatment stages for cleaning within a disposal facility for in particular biogenic solids. It is further contemplated that the precipitated solids and the condensed portions are biologically cleaned, likewise preferably again in a suitable device already present, for example a sewage treatment plant of the disposal device. Alternatively, the precipitated solids and the contaminated liquid phase can also remain within a closed system cycle of a disposal facility. A gas purified in this way can already be fed directly to a combustion.
  • the gasification product of the biogenic solids is introduced into at least one biological treatment stage.
  • biological treatment stages in which, for example, rotting, fermentation, digestion or the like takes place, the solids contained in the gasification product can easily precipitate and the condensable parts of the gasification product can be mixed with the regularly present liquid phase. Cleaning of the gasification product is thus ensured in a simple, inexpensive manner.
  • the gases generated in the processes mentioned within the biological treatment stage will mix with the remaining purified gas fraction from the gasification and, in particular when combustible gases arise, the gas mixture obtained in this way can in particular be fed directly to the combustion.
  • Purification of the gasification product in such a biological treatment stage which is usually already present in a disposal device, has an extremely favorable energy balance, in which an additional energy requirement is minimized and, if appropriate, through the combination of thermal treatment and generation of electrical energy and waste heat use is even positive.
  • solid constituents contained in the gasification product remain in a biological treatment stage and mix with the solid ingredients still to be treated and are biologically decomposed, and that condensable parts of the gasification product mix with an existing liquid phase and are biologically decomposed.
  • the inventive method is further based on the fact that
  • a contaminated pyrolysis gas is introduced into a biological treatment stage, - that solid parts contained in the pyrolysis gas, e.g. Dust, remain in the biological treatment stage and mix with the solid ingredients still to be treated and are biodegraded,
  • the gas mixture obtained during pyrolysis at temperatures of 600 ° C to 700 ° C with the exclusion of oxygen, then cleaned and mixed with methane, is characterized by a high calorific value and its cleanliness and can be immediately burned in a conventional combined heat and power plant or a motorized combustion for energy generation be fed.
  • a preferred application of the conditioning process is through integration into the process flow of a sewage treatment plant, particularly for the further disposal and recycling of sewage sludge. This is advantageously done decentrally at the location of the sludge accumulation, immediately after their mechanical dewatering.
  • the process is also useful and economical for the comparatively low throughputs of approx. 3 t / h of dewatered sludge from small to medium-sized sewage treatment plants.
  • the energy balance of the method according to the invention shows that no additional thermal energy is required, but rather approximately 420 kWh of electrical energy and approximately 600 kWh of low-temperature heat, e.g. be generated as process heat or for building heating per ton of sewage sludge.
  • conditioning is one in the
  • the sewage treatment plant itself produces digested sludge, which is first mechanically dewatered in the usual way and then subjected to full thermal drying, which can bring the water content of the pre-dried digested sludge to below 10%.
  • the water or condensate generated during dewatering and during drying can be discharged back into the sewage treatment plant and cleaned there.
  • a digestion tower in particular a digestion tower for stabilizing a raw sludge of a sewage treatment plant, is suitable.
  • Biogenic solids can be stabilized anaerobically in digestion towers, with about 50% of the organic substance being biologically converted into methane-rich gases. This anaerobic stabilization is further promoted by the additional pressing in of the gasification products of the biogenic solids according to the invention.
  • the gas produced by the digestion and the injected gasification product have approximately the same proportions, which means that a high-quality, natural gas-like gas mixture with a calorific value of approx. 30 MJ / kg is available.
  • This very pure gas mixture can flow in conventional gas engines and the electrical energy thus generated can be used to operate the sewage treatment plant or to feed it into the power grid.
  • the waste heat from the electricity generation can expediently be used for the thermal drying of the sewage sludge and as the necessary process heat for its further treatment.
  • the efficiency of the method according to the invention can be increased further if the gasification product of biogenic solids is washed, as a result of which a considerable proportion of the condensable parts of the gasification product are already liquefied.
  • a scrubber required for this can certainly be operated with protective water from a sewage treatment plant, for example the water from the drain of the sand trap. The washing water can then advantageously be returned to the cleaning process of the sewage treatment plant.
  • Fig. 1 a flow chart of the invention
  • Fig. 3 a mass balance based on a ton
  • Fig. 4 an energy balance, based on a ton
  • the sludges of a sewage treatment plant are fed in the usual way as raw sludge to anaerobic digestion in a digestion tower.
  • anaerobic stabilization approx. 50% of the organic substance in the sludge is biologically converted into a methane-rich gas.
  • the digested sludge is mostly mechanically dewatered, for example in a chamber filter press with the addition of slaked lime. Additionally or alternatively, dewatering can be carried out by adding flocculants, for example on a polymer basis. A TS content of 35% is achieved, which means that the loss on ignition in the dry matter with polymer conditioning is still 53%.
  • the filter water that occurs during the mechanical drainage is returned to the sewage treatment plant.
  • the dewatered sewage sludge is fed from an intermediate bunker 1, see FIG. 2, by an eccentric screw pump 2 to the thermal drying, whereby the water content of the sewage sludge can be brought to below 10%.
  • a preheating of the sewage sludge is provided in a heat exchanger 3, which uses the low-temperature waste heat generated in the conditioning process according to the invention, indicated by the arrows 4, for example the waste heat from a combined heat and power plant 15.
  • the vapors 6 formed during drying are fed to a scrubber 8 with a small amount of drag air 7, in which they are cleaned and the water vapor is directly condensed.
  • Water from the sewage treatment plant, which is fed to the scrubber 8 by means of a pump 10, can expediently be used as washing water 9.
  • the wash water 9 is together with the vapor condensate via an intermediate container 11 as waste water 12
  • Wastewater treatment process fed again.
  • the exhaust air 13 of the scrubber 8, sucked off by a blower 14, serves in the intended complete process as secondary combustion air for a combined heat and power unit 15 and / or a pyrolysis reactor 16, the process heat of which, for example, from exhaust gases, is itself used again to dry the sewage sludge in the dryer 5 , indicated by the arrows 17, 18. If this process heat is used, then driven by a compressor 19, the heat carrier is excreted, for example, as exhaust gas 20 from the process according to the invention.
  • the dried sewage sludge present as granules 21 is fed to the pyrolysis reactor 16, for example metered from a conveyor belt 22 via an intermediate storage in a storage container 23 and via a cellular wheel sluice 24 and exactly from a screw 25.
  • An indirectly heated rotary tube 26 can be provided as the pyrolysis reactor 16, for example indirectly fired by gas, indicated by a burner 27.
  • the pyrolysis gas 31 obtained in the pyrolysis is suctioned off and washed in a washer 32.
  • This wash water 34 is taken from the sewage treatment plant by a pump 33, for example the drainage of the sand trap.
  • water vapor portions of the pyrolysis gas 31 are also condensed out.
  • This condensate next to the wash water is fed back to clarification according to arrow 35.
  • the pyrolysis gas thus pre-cleaned is pumped into a digester 37 by a compressor 36. There it supports the anaerobic digestion of the sewage sludge or possibly other biogenic solids and mixes with the digester gas generated in the digestion tower 37, usually one with a high methane content. Due to the approximately equal proportions of pyrolysis gas and fermentation gas, there is a high-quality, natural gas-like gas mixture with a calorific value of approx. 30 MJ / kg.
  • the gas mixture present there according to arrow 38 is used for energy generation, for example in the cogeneration unit 15 by combustion, to which fresh air according to arrow 39 is still to be fed regularly.
  • such a block-type heating plant can also be used to generate energy, indicated by a generator 40.
  • the digested sludge is first fed to a mechanical dewatering according to arrow 41, in order then to be put down and dewatered and fed back to the intermediate bunker 1, whereby the circuit is closed.
  • the exhaust gases from the combined heat and power plant 15, which are also used as process heat for the radiation dryer 5, as well as the exhaust gases from the pyrolysis firing 27, can be discharged into the environment according to arrow 20 without additional cleaning, since they meet the exhaust gas values of the 17th BimSchV.
  • dewatered sewage sludge from sewage treatment plants that is landfilled or otherwise used, for example in agriculture contains around 15% of limestone that has been extinguished as a drainage aid.
  • liming can be omitted by using small amounts of flocculants.
  • the amount of sewage sludge to be treated can be further reduced by approx. 20% to 25%.
  • the mass flow diagram according to FIG. 3 clearly shows that the rest of the sewage sludge that is ultimately to be disposed of is reduced to 195 kg of the original amount in the form of mineral ash from the pyrolysis. 151 kg can also be used as fuel gas. The largest volume flow, a total of 654 kg from drying and pyrolysis, is returned to the circuit and cleaned after leaving the sewage treatment plant.
  • the energy balance according to FIG. 4 shows a total of 1,496 kWh based on 1,000 kg of digested sewage sludge in primary energy. From this, 488 kWh of electrical energy can be generated by converting the pyrolysis gas into the existing combined heat and power plants. After deducting the
  • Own requirements remain 417 kWh for feeding into the network. 343 kWh of useful heat is also used for drying. The remaining amount of energy is divided into 126 kWh in the residual calorific value of the pyrolysis ash and 539 kWh in low-temperature waste heat, which can be used for heating purposes such as buildings, digestion, preheating, sewage sludge and the like.
  • the method according to the invention thus has a positive energy balance while minimizing the residual amount to be disposed of.
  • Conditioning method characterized by the inclusion of conditioning in the process flow of a sewage treatment plant.
  • Conditioning method characterized by the conditioning of a pre-dried digested sludge.
  • Conditioning method characterized by cleaning the gasification product (31) in a digestion tower (37).
  • Conditioning method characterized by cleaning the gasification product (31) in a digestion tower (37) for the stabilization of a raw sludge of a sewage treatment plant.
  • Conditioning method characterized by cleaning the gasification product in a washer (32).
  • Conditioning method characterized by cleaning the gasification product (31) in a washer (32) operated with dirty water (34) in a sewage treatment plant.

Abstract

Um ein durch eine Vergasung von biogenen Feststoffen gewonnenes Gasgemisch von hohem Heizwert für eine Verbrennung insbesondere auch in herkömmlichen Blockheizkraftwerken zur Verfügung stellen zu können, wird das Vergasungsprodukt (31) einer Behandlungsstufe (37) zugeführt, in der die in dem Vergasungsprodukt (31) enthaltenden Feststoffanteile ausgefällt werden und in der die kondensierbaren Anteile des Vergasungsproduktes (31) sich mit einer vorhandenen Flüssigphase vermischen, die ausgefällten Feststoffe und die verunreinigte Flüssigphase einer biologischen Reinigung zugeführt werden und das gereinigte Gas (38) der Verbrennung.

Description

KONDITIONIERUNGSVERFAHREN BIOGENER FESTSTOFFE
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft ein Verfahren der Konditionierung biogener Feststoffe.
Die Entsorgung von Abfällen, insbesondere von biogenen Feststoffen, wie beispielsweise von Klärschlämmen, Althölzern, Bio-Abfall und dergleichen mehr wird alleine mengenmäßig zunehmend zu einem Problem.
So werden die Verdauungsprodukte von Menschen und Tieren seit Jahren großtechnisch über das Abwassersystem erfaßt und zentral in kommunalen Kläranlagen gereinigt . Hinzu kommen die, gegebenenfalls aufbereitet, Industrieabwässer, bei denen gesetzliche Vorgaben eingehalten und überprüft werden müssen. Die zunehmende Zahl der Kläranlagen wie auch deren verbesserte Wirkungsweise bedingt auch eine zunehmende Menge an Klärschlämmen. Mittelfristige Schätzungen gehen in der Bundesrepublik Deutschland von ca. 4 Mio. Tonnen Trockensubstanz anfallender Klärschlämme aus . Dies bedeutet bei der praktisch in jeder Kläranlage verfügbaren mechanischen Entwässerung ca. 16 Mio. Tonnen Feuchtschlämm, die jährlich zu entsorgen sind. Zur Zeit gehen ca. 50 % der Klärschlämme in die Deponierung oder Rekultivierung, was ab dem Jahr 2005 aufgrund der TA-Siedlungsabfall nicht mehr möglich sein wird. Auch die landwirtschaftliche Verbringung wird mit ca. 35 % Anteil eher rückläufig sein. Infolge werden künftig jährlich insgesamt ca. 8 Mio. Tonnen Feuchtschlamm eines mittleren Entwässerungsgrades von ca. 25 % anderweitig zu entsorgen sein.
Für die Verbrennung existieren zur Zeit 16 öffentliche Mono-Klärschlammverbrennungsanlagen mit einer Kapazität von ca. 1,6 Mio. Tonnen entwässertem Klärschlamm pro Jahr, so eine Studie des Umweltbundesamtes, Daten zur Anlagentechnik und zu den Standorten der thermischen Klärschlammentsorgung in der Bundesrepublik Deutschland, Texte 72/98. Hinzu kommen ca. 0,5 Mio. Tonnen Klärschlamm, die in
Hausmüllverbrennungsanlagen mit verbrannt werden. Diese Art der Klärschlammbehandlung ist insbesondere in Ballungsgebieten eine seit Jahren angewendete Technologie. Jedoch wird aufgrund der gestiegenen Anforderungen an die Rauchgasimmissionen, 17.BimSchV, und der damit einhergehenden mangelnden gesellschaftlichen Akzeptanz verstärkt über die Mitverbrennung von Klärschlamm in Kohlekraftwerken nachgedacht . Während bei Steinkohlekraftwerken vorzugsweise getrockneter Klärschlamm zum Einsatz kommt, wird bei Braunkohlekraftwerken der entwässerte Klärschlamm nach
Vermischung mit Braunkohle für die Verbrennung eingesetzt, jedoch sind auch hier die imissionsrechtlichen Bestimmungen beachtlich und einzuhalten.
Bei der Pyrolyse oder dem Cracken von biogenen Feststoffen, insbesondere von Abfällen wie vorzugsweise Klärschlämmen, aber auch von Altholz wie auch von anderen geeigneten Biomassen, steht die Erzeugung eines Gases von hohem Heizwert und dessen energetische Nutzung im Vordergrund. Einer uneingeschränkten Verwendung des bei der Pyrolyse erhaltenen Pyrolyse-Gases stehen in der Regel jedoch Verunreinigungen im Gas entgegen. Die Reinigung des Gases ist aufwendig und verursacht häufig die gleichen Anlagenkosten wie die für die Pyrolyse selbst.
Für eine energetische Nutzung ist weiter eine anaerobe Behandlung von biogenen Feststoffen bekannt, durch die in der Regel aus definierten kurzkettigen
Kohlenwasserstoffverbindungen ein methanreiches Gas gewonnen wird, welches in entsprechenden Blockheizkraftwerken energetisch genutzt werden kann. So verfügen größere Kläranlagen in der Regel über eine solche Behandlungsstufe. Ein Nachteil dieses biologischen Verfahrens ist der vergleichsweise hohe Restanteil an Kohlenwasserstoffanteilen im Feststoff, der nur durch Vergasung, Pyrolyse oder Verbrennung energetisch genutzt werden kann. Vor diesem technischen Hintergrund macht das Verfahren nach der Erfindung es sich zur Aufgabe, ein durch eine Vergasung von biogenen Feststoffen gewonnenes Gasgemisch von hohem Heizwert für eine Verbrennung insbesondere auch in herkömmlichen Blockheizkraftwerken zur Verfügung zu stellen. Bei der er indungsgemäßen Konditionierung biogener Feststoffe wird gemäß des Anspruchs 1 auf die Verfahrensschritte abgestellt,
- daß ein Vergasungsprodukt der biogenen Feststoffe einer Behandlungsstufe zugeführt wird, - daß in der Behandlungsstufe in dem Vergasungsprodukt enthaltene Feststoffanteile ausgefällt werden,
- daß in der Behandlungsstufe kondensierbare Anteile des Vergasungsproduktes sich mit einer vorhandenen Flüssigphase vermischen, - daß die ausgefällten Feststoffe und die verunreinigte Flüssigphase einer biologischen Reinigung und
- daß das gereinigte Gas einer Verbrennung zugeführt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist eine Reihe von Vorteilen auf. Diese kommen insbesondere dann zum tragen, wenn bereits vorhandene Ressourcen genutzt werden können, beispielsweise bereits vorhandene Behandlungsstufen für eine Reinigung innerhalb einer Entsorgungseinrichtung für insbesondere biogene Feststoffe. Es ist weiter daran gedacht, daß die ausgefällten Feststoffe und die kondensierten Anteile biologisch gereinigt werden, gleichfalls bevorzugt wieder in einer bereits vorhandenen, geeigneten Einrichtung, beispielsweise einer Kläranlage der Entsorgungseinrichtung. Alternativ können die ausgefällten Feststoffe und die verunreinigte Flüssigphase auch innerhalb eines geschlossenen System-Kreislaufes einer Entsorgungseinrichtung verbleiben. Ein so gereinigtes Gas kann unmittelbar einer Verbrennung bereits zugeführt werden.
Es hat sich als besonders zweckmäßig erwiesen, wenn das Vergasungsprodukt der biogenen Feststoffe in wenigstens eine biologische Behandlungsstufe eingeleitet wird. In solchen biologischen Behandlungsstufen, in denen beispielsweise eine Verrottung, Gährung, Faulung oder dergleichen erfolgt, können leicht die in dem Vergasungsprodukt enthaltenen Feststoffanteile ausgefällt und mit der regelmäßig vorhandenen Flüssigphase die kondensierbaren Anteile des Vergasungsproduktes vermischt werden. In einfacher, kostengünstiger Weise wird so für eine Reinigung des Vergasungsproduktes gesorgt .
Die bei den angesprochenen Prozessen innerhalb der biologischen Behandlungsstufe entstehenden Gase werden sich mit dem verbleibenden gereinigten Gasanteil aus der Vergasung vermischen und kann, insbesondere bei dem Entstehen brennbarer Gase, das so gewonnene Gasgemisch der Verbrennung insbesondere unmittelbar zugeführt werden.
Eine Reinigung des Vergasungsproduktes in einer solchen biologischen, regelmäßig in einer Entsorgungsvorrichtung bereits vorhandene Behandlungsstufe weist eine äußerst günstige Energiebilanz auf, bei der ein zusätzlicher Energiebedarf minimiert und, bei entsprechenden Voraussetzungen, durch die Kombination thermischer Behandlung und Erzeugung elektrischer Energie sowie einer Abwärmenutzung sogar positiv ist.
Weiter wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt, daß in dem Vergasungsprodukt enthaltende Feststoffanteile in einer biologischen Behandlungsstufe verbleiben und sich mit den noch zu behandelnden festen Inhaltsstoffen vermischen und biologisch zersetzt werden und daß kondensierbare Anteile des Vergasungsproduktes sich mit einer vorhandenen Flüssigphase vermischen und biologisch zersetzt werden.
Eine gesonderte Entsorgung der dem Vergasungsprodukt entzogenen Verunreinigungen ist damit hinfällig. Diese verbleiben vielmehr in der biologischen Behandlungsstufe und werden, wie dort üblich, biologisch zersetzt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren stellt weiter darauf ab, daß
- ein verunreinigtes Pyrolyse-Gas in eine biologische Behandlungsstufe eingeleitet wird, - daß in dem Pyrolyse-Gas enthaltene Feststoffanteile, wie z.B. Staub, in der biologischen Behandlungsstufe verbleiben und sich mit den noch zu behandelnden festen Inhaltsstoffen vermischen und biologisch zersetzt werden,
- daß in dem Pyrolyse-Gas enthaltene kondensierbare Anteile, wie z. B. Öle und Teere, sich mit einer vorhandenen
Flüssigphase vermischen und biologisch zersetzt werden,
- daß die verbleibenden Gasanteile aus der Pyrolyse, insbesondere kurzkettige Alkane und Alkene, sich mit Methan vermischen und - und daß das so gewonnene Gasgemisch insbesondere unmittelbar der Verbrennung in geeigneten Blockheizkraftwerken zugeführt wird. Das bei der Pyrolyse bei Temperaturen 600°C bis 700°C unter Sauerstoffabschluß erhaltene, dann gereinigte und mit Methan vermischte Gasgemisch zeichnet sich durch einen hohen Brennwert und seine Sauberkeit aus und kann sofort einer Verbrennung in einem herkömmlichen Blockheizkraftwerk oder einer motorischen Verbrennung für eine Energieerzeugung zugeführt werden.
Eine bevorzugte Anwendung des KonditionierungsVerfahrens erfolgt durch eine Einbindung in den Verfahrensablauf einer Kläranlage, insbesondere zur weiteren Entsorgung und Verwertung von Klärschlämmen. Dieses erfolgt in vorteilhafter Weise dezentral an dem Ort des Anfallens der Schlämme, unmittelbar im Anschluß an deren mechanische Entwässerung. Auch ist das Verfahren für die vergleichsweise niedrigen Durchsätze von ca. 3 t/h entwässerter Klärschlämme der kleinen bis mittelgroßen Kläranlagen zweckmäßig und ökonomisch anwendbar. Die Energiebilanz des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt auf, daß keine zusätzliche Wärmeenergie benötigt wird, sondern vielmehr ca. 420 kWh an elektrischer Energie sowie ca. 600 kWh Niedertemperaturwärme z.B. als Prozeßwärme oder für eine Gebäudebeheizung pro Tonne entwässertem Klärschlamm erzeugt werden. Hochgerechnet auf die eingangs erwähnte, in Zukunft thermisch zu behandelnde Menge an Klärschlamm sind dies ca. 3,6 Mio. MWh an elektrischer Energie und ca. 4,8 Mio. MWh an Niedertemperaturwärme an Überschuß bei der thermischen Entsorgung von Klärschlämmen.
Insbesondere ist an die Konditionierung eines in der
Kläranlage selbst anfallenden Faulschlammes gedacht, der in üblicher Weise zunächst mechanisch entwässert und dann einer thermischen Volltrocknung unterzogen wird, womit der Wassergehalt des vorgetrockneten Faulschlammes auf unter 10 % gebracht werden kann. Das bei der Entwässerung und während der Trocknung anfallende Wasser bzw. Kondensat kann zurück in die Kläranlage entlassen und dort gereinigt werden. Für die Reinigung des Vergasungsproduktes bei dem Konditionierungsverfahren nach der Erfindung bietet sich dessen Einleitung in einem Faulturm an, insbesondere einen Faulturm für die Stabilisierung eines Rohschlammes einer Kläranlage.
Biogene Feststoffe können in Faultürmen anaerob stabilisiert werden, wobei ca. 50 % der organischen Substanz in methanreiche Gase biologisch umgewandelt werden. Diese anaerobe Stabilisierung wird durch das zusätzliche Einpressen der Vergasungsprodukte der biogenen Feststoffe nach der Erfindung noch begünstigt. Insbesondere kommt es auch zu einer Reinigung des Vergasungsproduktes, dem die Feststoffanteile und die kondensierbaren Anteile weiter entzogen werden, die im Faulturm verbleiben und biologisch zersetzt werden. Das durch die Faulung entstandene Gas und das eingepresste Vergasungsprodukt weisen etwa gleiche .Mengenanteile auf, wodurch ein hochwertiges, erdgasähnliches Gasgemisch eines Heizwertes von ca.. 30 MJ/kg vorliegt.
Es kann dieses sehr reine Gasgemisch in üblichen Gasmotoren verströmt und die so erzeugte elektrische Energie zum Betrieb der Kläranlage oder zur Einspeisung in das Stromnetz verwendet werden. Die Abwärme aus der Verstromung läßt sich zweckmäßigerweise zur thermischen Trocknung des Klärschlammes und als nötige Prozesswärme bei dessen Weiterbehandlung heranziehen.
Damit ist der Kreislauf der erfindungsgemäßen Konditionierung am Beispiel einer Einbindung in den Verfahrensablauf einer Kläranlage mit einer positiven Energiebilanz geschlossen.
Der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Verfahrens kann weiter erhöht werden, wenn das Vergasungsprodukt biogener Feststoffe gewaschen wird, wodurch auch ein erheblicher Anteil der kondensierbaren Anteile des Vergasungsproduktes bereits verflüssigt werden. Ein hierzu nötiger Wäscher kann durchaus mit Schutzwasser einer Kläranlage betrieben werden, beispielsweise dem Wasser aus dem Ablauf des Sandfangs . Das Waschwasser kann dann zweckmäßigerweise dem Reinigungsprozess der Kläranlage wieder zugeführt werden.
Das Verfahren nach der Erfindung wird anhand der Zeichnung, in der lediglich beispielhaft bei einer Kläranlage die Konditionierung nach der Erfindung eingebunden dargestellt ist, näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1: ein Flußdiagramm der erfindungsgemäßen
Konditionsierung,
Fig. 2: ein Blockschaltbild,
Fig. 3: eine Massenbilanz bezogen auf eine Tonne
Klärschlamm einer Feuchtigkeit TS = 35 %,
Fig. 4: eine Energiebilanz, bezogen auf eine Tonne
Klärschlamm einer Feuchtigkeit TS = 35 % und
Fig. 5: in einer Tabelle eine Analyse eines Pyrolysegases.
Gemäß Figur 1 werden die Schlämme einer Kläranlage, gegebenenfalls auch andere geeignete biogene Feststoffe, in üblicher Weise als Rohschlamm der anaeroben Faulung in einem Faulturm zugeführt. Bei dieser anaeroben Stabilisierung werden ca. 50 % der organischen Substanz im Schlamm biologisch in ein methanreiches Gas umgewandelt .
Der ausgefaulte Faulschlamm wird weiter zumeist mechanisch entwässert, beispielsweise in einer Kammerfilterpresse unter Zusatz von gelöschtem Kalk. Zusätzlich oder alternativ kann eine Entwässserung durch Zugabe von Flockungsmitteln beispielsweise auf Polymerbasis erfolgen. So wird ein TS-Gehalt von 35 % erreicht, womit der Glühverlust in der Trockensubstanz mit Polymer-Konditionierung dann noch 53 % beträgt . Das bei der insbesondere mechanischen Entwässerung anfallende Filterwasser wird zurück in die Kläranlage geführt.
Der entwässerte Klärschlamm wird aus einem Zwischenbunker 1, vergleiche Figur 2, von einer Exzenterschnecken-Pumpe 2 der thermischen Trocknung zugeführt, womit der Wassergehalt des Klärschlammes auf unter 10 % gebracht werden kann. Hierbei ist eine Vorheizung des Klärschlammes in einem Wärmetauscher 3 vorgesehen, der die in dem erfindungsgemäßen Konditionierungsverfahren anfallende Niedertemperatur-Abwärme ausnutzt, angedeutet durch die Pfeile 4, beispielsweise die Abwärme eines Blockheizkraftwerkes 15.
Im Trockner 5 erfolgt die Volltrocknung des Klärschlammes auf TS=90%, wobei bevorzugt ein Strahlungs-Bandtrockner Verwendung findet .
Die bei der Trocknung entstehenden Brüden 6 werden mit einem geringen Anteil Schleppluft 7 einem Wäscher 8 zugeführt, in dem sie gereinigt werden und der Wasserdampf direkt kondensiert wird. Als Waschwasser 9 kann zweckmäßigerweise Wasser aus der Kläranlage Verwendung finden, das mittels einer Pumpe 10 dem Wäscher 8 zugeführt wird. Das Waschwasser 9 wird zusammen mit dem Brüdenkondensat über einen Zwischenbehälter 11 als Abwasser 12 dem
Abwasserreinigungsprozess wieder zugeführt .
Die Abluft 13 des Wäschers 8, abgesaugt durch ein Gebläse 14, dient im vorgesehen vollständigen Prozess als Sekundärbrennluft für ein Blockheizkraftwerk 15 und/oder eines Pyrolysereaktors 16, deren Prozesswärme, bspw. aus Abgasen, selbst wieder zur Trocknung des Klärschlammes im Trockner 5 herangezogen wird, angedeutet durch die Pfeile 17,18. Ist diese Prozesswärme genutzt, wird dann angetrieben durch einen Verdichter 19 der Wärmeträger bspw. als Abgas 20 aus dem erfindungsgemäßen Prozess ausgeschieden. Der als Granulat 21 vorliegende getrocknete Klärschlamm wird dem Pyrolyse-Reaktor 16 zugeführt, beispielsweise von einem Förderband 22 über eine Zwischenlagerung in einem Vorlagebehälter 23 und über eine Zellenradschleuse 24 und exakt von einer Schnecke 25 dosiert.
Als Pyrolysereaktor.16 kann ein indirekt beheiztes Drehrohr 26 vorgesehen sein, beispielsweise indirekt durch Gas befeuert, angedeutet durch einen Brenner 27.
Bei Temperaturen von 600 C° bis 700 C° entsteht unter Sauerstoffabschluß ein heizwertreiches Gas mit ca. 60 % kurzkettigen Alkanen und Alkenen sowie ca. 10 % CO und einem Rest aus C02 und anderen Inertgasen. Entsprechend dem Glühverlust der Ausgangssubstanz werden ca. 50 % des biogenen Feststoffes in Gas umgesetzt. In Tabelle 1 sind die Analysewerte eines derartigen Gases zusammengefasst . Insbesondere sei dort auf den niedrigen S02-Gehalt hingewiesen.
Nach der Pyrolyse verbleibt eine biologisch inaktive Asche mit einem Anteil an organischen gebundenen Kohlenstoffen, der gegen 0 geht. Dieser Pyrolyserückstand von ca. 15 % bis 20 % der ursprünglich vorhandenen Menge an entwässertem Klärschlamm wird dem erfindungsgemäßen Kreislauf entzogen, angedeutet durch Pfeil 28, wozu beispielsweise eine Austragsschnecke 29 vorgesehen sein kann, in der der Pyrolyserückstand auch abgekühlt wird, um anschließend in geeignete Behälter 30 verbracht zu werden.
Das bei der Pyrolyse erhaltene Pyrolyse-Gas 31 wird abgesaugt und in einem Wäscher 32 gewaschen. Von einer Pumpe 33 wird dieses Waschwasser 34 der Kläranlage entnommen, beispielsweise dem Ablauf des Sandfangs. Neben dem Waschen und der gleichzeitigen Kühlung werden Wasserdampfanteile des Pyrolyse-Gases 31 auch auskondensiert. Dieses Kondensat neben dem Waschwasser wird gemäß Pfeil 35 der Klärung erneut zugeführt . Von einem Verdichter 36 wird das so vorgereinigte Pyrolyse-Gas in einen Faulturm 37 gepumpt. Es unterstützt dort die anaerobe Faulung des Klärschlammes oder gegebenenfalls anderer biogener Feststoffe und vermischt sich mit dem im Faulturm 37 entstehenden Faulgas, zumeist ein einen hohen Methan-Anteil aufweisendes. Aufgrund der etwa gleichen Mengenanteile von Pyrolyse-Gas und Faulgas liegt ein hochwertiges, erdgasähnliches Gasgemisch mit einem Heizwert von ca. 30 MJ/kg vor.
Im Faultürm 37 weiter von Feststoffanteilen und kondensierbaren Anteilen gereinigt, dient das dort anstehende Gasgemisch gemäß Pfeil 38 der Energieerzeugung beispielsweise in dem Blockheizkraftwerk 15 durch Verbrennung, der weiter Frischluft gemäß Pfeil 39 regelmäßig noch zuzuführen ist.
Neben der Prozesswärme 18 kann ein solches Blockheizwerk auch zur Energieerzeugung herangezogen werden, angedeutet durch einen Generator 40.
Nach Ausfaulen des Rohschlammes im Faulturm 37 wird der Faulschlamm, wie eingangs erläutert, zunächst einer mechanischen Entwässerung gemäß Pfeil 41 zugeführt, um dann ausgefault und entwässert dem Zwischenbunker 1 wieder zugeführt zu werden, womit der Kreislauf geschlossen ist.
Die auch zur Nutzung als Prozesswärme für den Strahlungstrockner 5 herangezogenen Abgase des Blockheizkraftwerkes 15, wie auch die Abgase der Pyrolyse- Befeuerung 27, können ohne zusätzliche Reinigung in die Umgebung gemäß Pfeil 20 abgelassen werden, da sie die Abgaswerte der 17.BimSchV erfüllen.
Gegenwärtig enthält entwässerter Klärschlamm aus Kläranlagen, die deponiert oder anderweitig, beispielsweise in der Landwirtschaft verwertet werden, etwa 15 % gelöschten Kalk als Entwässerungshilfe. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Aufkalkung durch den Einsatz von geringen Mengen an Flockungs-Hilfsmitteln entfallen. Mit zusätzlichen Optimierungsmaßnahmen kann dann die zu behandelnde Klärschlammenge weiter um ca. 20 % bis 25 % reduziert werden. Bei der in Figur 3 gezeigten Massen- und der in Fig. 4 gezeigten Energiebilanz wird nachfolgend von 1.000 kg ausgefaulten Klärschlämmen von TS=35% ausgegangen.
Das Massenflußdiagramm gemäß Figur 3 zeigt deutlich auf, daß der letztlich zu entsorgende Rest des Klärschlammes auf 195 kg der ursprünglichen Menge in Form von mineralischer Asche aus der Pyrolyse reduziert wird. 151 kg können als Brenngas zusätzlich genutzt werden. Der größte Mengenstrom, insgesamt 654 kg aus der Trocknung und der Pyrolyse, gelangen in den Kreislauf zurück und verlassenen gereinigt die Kläranlage .
Die Energiebilanz gemäß Figur 4 weist aus dem Heizwert des Klärschlammes und der Beheizung der Pyrolyse insgesamt 1.496 kWh bezogen auf 1.000 kg ausgefaulten Klärschlamm an Primärenergie aus. Hieraus lassen sich durch Verstromung des Pyrolyse-Gases in den vorhandenen Blockheizkraftwerken 488 kWh an elektrische Energie erzeugen. Nach Abzug des
Eigenbedarfes verbleiben 417 kWh zum Einspeisen ins Netz. Weiter werden zur Trocknung 343 kWh als Nutzwärme verbraucht. Die verbleibende Energiemenge teilt sich zu 126 kWh in den Restheizwert der Pyrolyse-Asche und zu 539 kWh in Niedertemperaturabwärme auf, die für Heizzwecke beispielsweise der Gebäude, des Faulturmes, der Vorwärmung, des Klärschlammes und dergleichen mehr herangezogen werden kann.
Rechnet man das in der anaeroben Faulung vorab gewonnene Gas mit 163 kg bezogen auf 1 Tonne ausgefaulten Klärschlamm hinzu, stehen nach der Verstromung insgesamt 650 kWh als Nutzwärme bei einem Bedarf von 550 kWh für die Trocknung zur Verfügung. Die elektrische Überschußenergie beträgt dann 1.030 kWh.. Die Niedertemperaturwärme erhöht sich im gleichen Maße auf 1.193 kWh.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist somit eine positive Energiebilanz bei gleichzeitiger Minimierung der zu entsorgenden Restmenge auf .
Konditionierungsverfahren
Bezugszeichenliste:
1. Zwischenbunker 27. Brenner
2. Exzenterschneckenpumpe 40 28. Pfeil 3. Wärmetauscher 29. Austragsschnecke
4. Niedertemperatur-Abwärme 30. Behälter
5. Trockner 31. Pyrolyse-Gas
6. Brüden 32. Wäscher
7. Schleppluft 45 33. Pumpe 8. Wäscher 34. Waschwasser
9. Waschwasser 35. Pfeil
10. Pumpe 36. Verdichter
11. Zwischenbehälter 37. Faulturm
12. Abwasser 50 38. Pfeil 13. Abluft 39. Pfeil
14. Gebläse 40. Generator
15. Blockheizkraftwerk 41. Pfeil
16. Pyrolysereaktor
17. Prozesswärme von 16 18. Prozesswärme von 15
19. Verdichter
20. Abgas
21. Granulat
22. Förderband 23. Vorlagebehälter
24. Zellenradschleuse
25. Schnecke 26. Drehrohr Konditionierungsverfahren
Patentansprüche;
1. Konditionierungsverfahren biogener Feststoffe, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte, - daß ein Vergasungsprodukt (31) der biogenen Feststoffe (21) einer Behandlungsstufe (37) zugeführt wird,
- daß in der Behandlungsstufe (37) in dem Vergasungsprodukt (31) enthaltene Feststoffanteile ausgefällt werden, - daß in der Behandlungsstufe (37) kondensierbare Anteile des Vergasungsproduktes (31) sich mit einer vorhandenen Flüssigphase vermischen,
- daß die ausgefällten Feststoffe und die verunreinigte Flüssigphase einer biologischen Reinigung und - daß das gereinigte Gas (38) einer Verbrennung zugeführt wird.
2. Konditionierungsverfahren nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte, - daß ein Vergasungsprodukt (31) der biogenen Feststoffe (21) in wenigstens eine biologische Behandlungsstufe (37) eingeleitet wird,
- daß in einer biologischen Behandlungsstufe (37) eine Reinigung des Vergasungsproduktes (31) erfolgt und - daß das gereinigte Gas einer Verbrennung zugeführt wird
3. Konditionierungsverfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte,
- daß ein Vergasungsprodukt (31) der biogenen Feststoffe (21) in wenigstens eine biologische Behandlungsstufe (37) eingeleitet wird, - daß in einer biologischen Behandlungsstufe (37) eine Reinigung des Vergasungsproduktes (31) erfolgt und
- daß die verbleibenden Gasanteile aus der Vergasung sich mit einem in der biologischen Behandlungsstufe (37) entstehenden Gas vermischen und - daß das so gewonnene Gasgemisch (38) der Verbrennung zugeführt wird.
4. Konditionierungsverfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte,
- daß ein Vergasungsprodukt (31) in wenigstens eine biologische Behandlungsstufe (37) eingeleitet wird,
- daß in dem Vergasungsprodukt (31) enthaltene Feststoffanteile in einer biologischen Behandlungsstufe (37) verbleiben und sich mit den noch zu behandelnden festen Inhaltsstoffen vermischen und biologisch zersetzt werden,
- daß kondensierbare Anteile des Vergasungsproduktes (31) sich mit einer vorhandenen Flüssigphase vermischen und biologisch zersetzt werden,
- daß die verbleibenden Gasanteile aus der Vergasung sich mit einem in einer biologischen Behandlungsstufe (37) entstehenden brennbaren Gas vermischen und - daß das so gewonnene Gasgemisch (38) der Verbrennung zugeführt wird.
5. Konditionierungsverfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die
Verfahrensschritte,
- daß ein Pyrolyse-Gas (31) in eine biologische Behandlungsstufe (37) eingeleitet wird,
- daß in dem Pyrolyse-Gas (31) enthaltene Feststoffanteile in der biologischen Behandlungsstufe
(37) verbleiben und sich mit den noch zu behandelnden festen Inhaltsstoffen vermischen und biologisch zersetzt werden,
- daß kondensierbare Anteile des Pyrolyse-Gases (31) sich mit einer vorhandenen Flüssigphase vermischen und biologisch zersetzt werden,
- daß die verbleibenden Gasanteile aus der Pyrolyse sich mit Methan vermischen und
- daß das so gewonnene Gasgemisch (38) der Verbrennung zugeführt wird.
6. Konditionierungsverfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Einbindung der Konditionierung in den Verfahrensablauf einer Kläranlage.
7. Konditionierungsverfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Konditionierung eines vorgetrockneten Faulschlammes .
Konditionierungsverfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Reinigung des Vergasungsproduktes (31) in einem Faulturm (37) . 9. Konditionierungsverfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Reinigung des Vergasungsproduktes (31) in einem Faulturm (37) für die Stabilisierung eines Rohschlammes einer Kläranlage .
10. Konditionierungsverfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Reinigung des Vergasungsproduktes in einem Wäscher (32) .
11. Konditionierungsverfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Reinigung des Vergasungsproduktes (31) in einem mit Schmutzwasser (34) einer Kläranlage betriebenen Wäscher (32) .
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