DE19807149A1

DE19807149A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Verarbeitung thermisch vorbehandelter biologischer Reststoffe bis zur Asche und elektrischer Energie

Info

Publication number: DE19807149A1
Application number: DE1998107149
Authority: DE
Inventors: Eder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-02-20
Filing date: 1998-02-20
Publication date: 1999-08-26

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verarbeitung von thermisch vorbehandelten biologischen Reststoffen, insbesondere auch von Klärschlamm.

Überschuß- und Primärschlamm aus Kläranlagen werden heute mit der Zielsetzung behandelt möglichst schnell das abscheidbare Wasser auszuschleusen und die vorhandene biologische Substanz möglichst weitgehend abzubauen. Zur Erreichung dieser Zielsetzungen werden umfangreiche Faulturm-Anlagen eingesetzt. Der gefaulte Schlamm muß zur Entwässerung mit mineralischen oder chemischen Stoffen konditioniert werden. Beim Einsatz der thermischen Konditionierung wird zwar der Faulgasanfall verbessert, durch andere Einflüsse (Streusalz im Winter) werden die Ausgasungsergebnisse jedoch weitgehend wieder aufgehoben. Die im Faulgas enthaltenen Begleitstoffe erschweren zudem die energetische Nutzung.

Die Entsorgung von Faulturmschlamm, ob in wässriger oder schwach entwässerter Form, stößt zudem auf Akzeptanzprobleme bei den meist landwirtschaftlichen Abnehmern. Teilweise wird die Verwendung dieser Schlämme von den regionalen und überregionalen Flächennutzern und Behörden ganz abgelehnt bzw. verboten. Zugemischte Magerungsmittel erhöhen nur die zu entsorgenden Mengen.

Die Entsorgung von Klärschlamm als Brennstoff oder in anderen Verbrennungsanlagen setzt eine vorgeschaltete Trocknung voraus, die dezentral angewandt einen hohen Energieaufwand, meist an bereits hochwertiger gasförmiger oder fossiler Energie erfordert. Der Transport zu zentralen Großanlagen verursacht auch dann noch zusätzlich erhebliche Transportkosten. Zudem muß der Anteil an Klärschlamm aufgrund von Begleitstoffen und der klärschlammspezifischen Brenn- und Ascheverhalten meist gering gehalten werden. Die Abgasreinigung dieser Brennstoffgemische ist meist aufwendiger als bei Monobrennstoffen. Diese Randbedingungen führen meist zu erheblichen Zuzahlungen durch die Klärschlammerzeuger.

Vergasungsanlagen wurden bisher meist für große Mengen ausgelegt was bei gering entwässertem Klärschlamm zu kostenintensiven Transporten und bei getrocknetem Klärschlamm zu teuren Sondertransporten führt.

Aus der DE-A-40 20 552 ist ein Verfahren zur Verwertung von Klärschlamm bekannt, bei dem der Klärschlamm zunächst vollständig getrocknet wird. In einem anschließenden Entgasungsprozeß bei Temperaturen von 400 bis 500°C unter gleichzeitiger Malung wird Klärschlamm-Koks mit 10 bis 40 Gewichts-% organischer Substanz erzeugt, der als Füller für Asphalt besonders geeignet ist.

Aus der DE 196 17 218 C2 ist ein Verfahren zum Verarbeiten von biologischen Reststoffen bekannt bei dem Klärschlamm getrocknet, vergast und verstromt wird. Dieses Verfahren ist bei der Verarbeitung von Faulschlamm mit einem Eingangs-Trockenstoffgehalt von über 40% bei einem organischen Anteil von 50% wärmeenergieautark.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, mit dem der Klärschlamm, bereits vor oder direkt hinter dem Faulturm so behandelt werden kann, daß die im Klärschlamm enthaltene Energie für die Kläranlage genutzt werden kann und keine externen Zuschläge für die Konditionierung des Klärschlammes benötigt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren und eine Vorrichtung dadurch gelöst, das durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist:

- Eingedickter Roh- oder Faulschlamm wird durch Erhitzung auf über 180°C in seiner inneren Strutur so verändert, daß die biologischen Bestandteile in flüssige und feste Anteile aufgespalten werden;
- die festen Schlammbestandteile in einem Hochdruckentwässerungsverfahren auf hohe Trockensubstanzgehalte entwässert werden;
- der hochentwässerte Klärschlamm direkt einem Wirbelschichtvergaser unter Sauerstoffmangel zugeführt wird, wobei ein Produktgas entsteht;
- mit dem Produktgas eine Stromerzeugungsanlage betrieben,
- die Abwärme aus dem Wirbelschichtvergaser und der Stromerzeugungsanlage über geschlossene Rohrsysteme mit mehreren Wärmetauschen der thermischen Konditionierung zugeführt wird.

Erfindungsgemäß ist auch eine Aufheizung des voreingedickten Roh- bzw. Faulschlammes in einem Einrohrwärmetauscher.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß die sich bei der Aufheizung des Schlammes entwickelnden Gase über den Wirbelschichtvergaser behandelt werden.

Es ist auch sinnvoll die Hochdruckentwässerung bei Temperaturen von 70 bis 80°C durchzuführen um Wärmeverluste zu vermeiden.

Vorteilhaft ist, daß der Klärschlamm vor der Vergasung nur mit dem Rücklaufgut aus dem Wirbelschichtvergaser vermischt wird.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß der Wasserdampf der sich aus der Restfeuchte der Filterkuchen bildet, ausreicht um im Wirbelschichtvergaser ein ausreichendes Angebot an Wasserstoff für die Vergasung bereitzustellen.

Erfindungsgemäß ist auch, daß der Wirbelschichtvergaser sowohl atmosphärisch als auch mit Überdruck betrieben werden kann.

Weiterhin ist vorgesehen, daß das entstehende Produktgas durch den Rohschlamm-Volumenstrom kondensiert und somit getrocknet wird.

Es ist sinnvoll auch die Abgase der Stromerzeugungsanlage über Wärmetauscher zu leiten und die Wärme in den Roh- bzw. Faulschlamm überzuleiten.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt eine Wärmetauscherkombination für die Schlammaufheizung, eine Hochdruckentwässerungsanlage, einen Wirbelschichtvergaser und eine Stromerzeugungsanlage.

Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Vorrichtung zur Aufbereitung der Filtrate aus der Entwässerungseinrichtung bevor diese in die Kläranlage zurückgeleitet werden.

Weiterhin ist es zweckmäßig, daß Mittel zum Waschen des Produktgases vorgesehen sind.

Die Erfindung hat zahlreiche Vorteile: Durch die thermische Konditionierung des Schlammes werden andere Konditionierungsmittel eingespart. Durch die Verarbeitung der Klärschlammes, vorzugsweise auf der Kläranlage, wird dort bereits das zu entsorgenden Volumen stark reduziert, nur noch Asche verläßt die Kläranlage.

Zudem enthält die Asche keine organischen Bestandteile mehr, sie entspricht somit der TA- Siedlungsabfall und kann deponiert werden, was auch seuchenhygienisch wichtig ist.

Das Fehlen organischer Bestandteile eröffnet die Möglichkeit die Aschen auch als Zuschlagstoff in der Baustoffindustrie einzusetzen.

Durch den Einsatz der Prozeßeigenwärme für die Aufheizung des Rohschlammes und die Stromerzeugung, die bei Rohschlamm bis zur Deckung des Strombedarfes der gesamten Kläranlage gehen kann, ist das Verfahren in energetischer Hinsicht optimal. Es kann alleine mit nachwachsenden Rohstoffen (Klärschlamm, gegebenfalls Biodiesel oder anderen nachwachsenden Brennstoffen) als CO₂-neutrales Verfahren betrieben werden.

Im folgenden wird eine beispielhafte Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand einer Zeichnung beispielhaft beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Der aus dem Faulturm 5 oder einem anderen Schlammspeicher kommende, möglichst hoch eingedickte Klärschlamm 6 wird in einem Einrohrwärmetauschersystem 7 unter Überdruck auf über 180°C aufgewärmt. Das Wärmetauschersystem ist dabei so geschaltet, daß eine mehrstufige Wärmerückgewinnung durchgeführt wird.

In einer Hochdruckpumpanlage 8, die über eine Druckölanlage 9 mit Hochdruckenergie versorgt wird ein den vorhandenen Flocken angepaßter möglichst hoher Filtrationsdruck gefahren. In einer, bei biologisch aktiven Schlämmen auch gekapselten, automatischen Pressenanlage 10 wird der Schlamm auf hohe Trockensubstanzwerte entwässert und die anfallenden Filterkuchen in den Zwischenbunker 11 abgeworfen. Im Zwischenbunker 11 wird der Chargenbetrieb der Entwässerung durch Zwischenbunkerung mehrerer Chargen ausgeglichen.

Über Transportschnecken 12, 15, Brecher 13 und Mischer 14 werden, je nach den Erfordernissen, die Filterkuchen vorzerkleinert oder mit Rücklaufgut vermischt und dann abgedichtet in den Wirbelschichtvergaser 16 gedrückt.

Die Vergasungsluft 31 wird über verschiedene Wärmetauscher, zweckmäßig ist dabei zumindestens das Vorliegen eines Abgas-Zuluft-Wärmetauschers 1, auf Temperaturen von über 400°C erhitzt, was den thermischen Wirkungsgrad verbessert und die Gasqualität des Produktgases entscheidend verbessert. Im Wirbelschichtvergaser werden die Feststoffe auf Temperaturen von 800 bis 900°C, unter Sauerstoffmangel, erhitzt und somit viele Begleitstoffe abgebaut. Die organischen Anteile der Feststoffe vergasen unter Bildung eines H₂/CO- Schwachgases.

Die anfallende Asche wird über Behältnisse 29, nach vorheriger Kühlung 4 abgefahren.

Das Produktgas 17 wird in einem Staubabscheider 18 von Staub gereinigt und gibt in einem Abgaswärmetauscher 19 seinen Wärmeinhalt bis ca. 200°C an das Schlammaufheizsystem 7 ab. In nachgeschalteten Filtern 20 und Kühlern 21 wird die Betriebstemperatur für das Waschsystem 22 eingestellt. Im Produktgas-Waschsystem 22 werden insbesondere noch vorhandene gasförmige Begleitstoffe ausgewaschen.

Die Restfeuchte des Produktgases wird im Kondensator 2 und die Begleitstoffe der Waschflüssigkeit werden in der Reinigungsanlage 23 abgeschieden. Im dem Produktgaswäscher 22 nachgeschalteten Filter 24 können bedarfsweise weitere Begleitstoffe abgeschieden werden die den Wäscher 22 passiert haben.

Das gereinigte Produktgas gelangt in die Stromerzeugungsanlage 25, die bedarfsweise mit Hilfsenergie 26 gefahren werden kann. Mit den Abgasen der Stromerzeugungsanlage wird über den Wärmetauscher 1 die Temperatur der Vergasungsluft 31 angehoben. Durch die erhebliche Temperaturanhebung wird die Eigenverbrennungsrate des Wirbelschichtvergasers wesentlich gesenkt. In der Filteranlage 27 werden die Abgase aus der Stromerzeugungsanlage auf die Erfordernisse der Auflagen für eine Abgabe der Abgase in die Umgebung gereinigt.

Mit dem kombinierten Wirbelschicht-Vergasungsluftgebläse 30, dem Druckerhöhungsgebläse 37 und dem Abgasgebläse 29 werden die Gasströme bewegt.

Im Kühler 28 wird zusätzliche Wärme aus dem Abgassystem der Stromerzeugungsanlage für das Schlammaufheizsystem 7 ausgekoppelt.

Die Vergasungsluft 31 belüftet über den Außenluftanschluß 32 die Verkapselung der Pressenanlage und nimmt auch die im Schlammaufheizsystem anfallenden Gase 33 auf. Die Vergasungsluft nimmt auch die in den Wärmetauschern 2,4 und 21 bereitgestellten Abwärmen zur Lufttemperaturanhebung auf.

Die Filtrataufbereitungsanlage 34 bereitet das Filtrat der Pressenanlage für den Rücklauf in die Kläranlage auf. Die festen Rückstände der Reinigungsanlagen 23 und 34 werden über den Sondermüllweg entsorgt 35, 36.

Wie bereits ausgeführt arbeitet die Vorrichtung mit Trockensubstanzgehalten in den Filterkuchen von größer 60%, selbst bei einer geringeren Gasausbeute beim Produktgas wird ein wärmeenergieautarker Betrieb mit Stromproduktion möglich, d. h. daß Strom zum Betrieb der Kläranlage und auch Heizwärme abgegeben werden können.

In Verbindung mit bereits eingeführten neueren Verfahren für die Biologie von Kläranlagen, bei denen der Kohlenstoff im Klärschlamm gehalten wird, anstatt bereits in den Belüftungsbecken in die Luft geblasen zu werden, eröffnet die Erfindung die Möglichkeit auch Rohschlamm direkt vor den Faultürmen zu verarbeiten und dadurch die Energieausbeute aus dem Klärschlamm noch erheblich zu steigern. Faultürme werden dann nicht mehr benötigt.

Bezugszeichenliste

1

Vergasungsluft-Abgas-Wärmetauscher,

2

Kondensationskühler im Produktgas,

3

Abgas-Einrohrwärmetauschersystem,

4

Aschekühlung-Luftaufheizung-Wärmetauscher,

5

Faulturm oder Rohschlammspeicher,

6

Roh- oder Faulschlamm,

7

Einrohr-Schlammaufheizsystem mit Wärmerückgewinnung,

8

Hochdruckpumpanlage,

9

Druckölanlage,

10

Hochdruck-Pressenanlage,

11

Zwischenbunker mit Doppelschnecke,

12

Transportschnecke,

13

Filterkuchenbrecher,

14

Mischer,

15

Stopfschnecke,

16

Wirbelschichtvergaser,

17

Produktgas, ungereinigt,

18

Staubabscheider,

19

Abgaswärmetauscher,

20

Filter,

21

Produktgas-Luft-Wärmetauscher,

22

Produktgaswaschsystem

23

Waschwasserreinigungsanlage,

24

Produktgasfilter,

25

Stromerzeugungsanlage

27

Filteranlage für Abgase,

28

Abgaskühler

29

Abgasventilator,

30

Vergasungsluftventilator,

31

Vergasungsluft,

32

Außenluftanschluß,

33

Gase aus Schlammaufheizsystem,

34

Filtrataufbereitungssystem,

35

,

36

Sondermüllentsorgung,

37

Druckerhöhungsgebläse.

Claims

1. Verfahren und Vorrichtung zur Verarbeitung thermisch vorbehandelter biologischer Reststoffe, insbesondere Klärschlamm, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

1. Voreingedickter Roh- oder Faulschlamm wird durch Erhitzung auf 180°C in seiner inneren Strutur so verändert, daß die biologischen Bestandteile sich verändern;
2. die festen Bestandteile in einer Hochdruckentwässerung auf hohe Trockensubstanzgehalte entwässert werden;
3. der hochentwässerte Klärschlamm direkt einem Wirbelschichtvergaser unter Sauerstoffmangel zugeführt wird, wobei ein Produktgas entsteht;
4. mit dem Produktgas eine Stromerzeugungsanlage betrieben,
5. die Abwärme aus dem Wirbelschichtvergaser und der Stromerzeugungsanlage über geschlossene Rohrsysteme mit mehreren Wärmetauschen der thermischen Konditionierung zugeführt wird.

2. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Erhitzung von Roh- oder Faulschlamm auf Temperaturen über 180°C die Struktur des Schlammes wesentlich geändert wird.

3. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Roh- oder Faulschlamm zur Vermeidung von Verstopfungen unter Überdruck, auch in einem Einrohrwärmetauscher, durch das Schlammaufheizsystem gedrückt wird.

4. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die festen Bestandteile des Schlammes in einer Hochdruckentwässerung auf hohe Trockensubstanzgehalte entwässert werden.

5. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wässrigen Bestandteile des Schlammes vor der Rückleitung in die Kläranlage in einer Aufbereitungsanlage behandelt werden.

6. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die automatisierte Hochdruckentwässerungsanlage bei der Verarbeitung von biologisch aktiven Schlämmen verkapselt wird.

7. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der unter dem Abwurftrichter der Entwässerungsanlage angeordnete Doppelschneckenförderer bereits eine Vorzerkleinerung der Filterkuchen durchgeführt wird.

8. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Förderer und Mischer vor dem Wirbelschichtvergaser eine vergasungsgerechte Konditionierung der Filterkuchen und der Rückläufe aus der Gasreinigung erfolgt.

9. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der gewählten Wirbelschichttemperatur viele Begleitstoffe zerlegt werden.

10. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Restfeuchtegehalt der Filterkuchen ausreicht um bei der Vergasung ausreichend Wasserstoff für die Produktgaserzeugung bereitzustellen.

11. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die geruchsbelasteten- und eventuell kontaminierten Ablüfte aus der Schlammaufheizung und aus dem Pressenbereich im Wirbelschichtvergaser entsorgt werden.

12. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus den Gasströmen (Produktgas und Abgas aus der Stromerzeugungsanlage) auskoppelbare Wärme ausreicht den Schlamm auf über 180°C aufzuheizen und aus der Wärmerückgewinnung noch Heizwärme für andere Zwecke verfügbar ist.

13. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das im Wirbelschichtvergaser entstehende Produktgas durch Kondensation des Wasserdampfes getrocknet wird.

14. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Produktgas eine Stromerzeugungsanlage betrieben wird.

15. Das Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die organischen Bestandteile im Filtrat abgebaut werden.

16. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine Entwässerungsanlage, einen Wirbelschichtvergaser und eine Stromerzeugungsanlage umfaßt.

17. Vorrichtung gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Entwässerungseinrichtung ein Schlammaufheizsystem vorgeschaltet ist.

18. Vorrichtung gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Entwässerungseinrichtung eine Hochdruck-Kammerfilterpresse ist.

19. Vorrichtung gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Waschen des Produktgases vorhanden sind.