Klärschlammverwertung Region Nürnberg...Recycling Deponie/Grubenverfüllung Gaskühler Ca(OH)2...
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Stadtentwässerung und Umweltanalytik Nürnberg | Klärschlammverwertung Metropolregion Nürnberg (KRN-Mephrec) 1 / 24
Zukunftsfähige Technologien und Konzepte für eine energieeffiziente und ressourcenschonende Wasserwirtschaft
in NürnbergPilotprojekt Metallurgisches Phosphor-Recycling
O. Schwarzmann, B. Hagspiel Stadtentwässerung und Umweltanalytik Nürnberg
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00 20 40
spezifischer Stromverbrauch [kWh/(EW×a)]
% d
er A
nlag
en
60 80 100 120 140 160 180 200
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
GK 1 0 – 999 EW 58,2 kWh/(EW×a)GK 2 1 000 – 5 000 EW 41,5 kWh/(EW×a)GK 3 5 001 – 10 000 EW 39,9 kWh/(EW×a)GK 4 10 001 – 100 000 EW 34,9 kWh/(EW×a)GK 5 >100 000 EW 32,5 kWh/(EW×a)
Stromverbrauch deutsche Kläranlagen ca. 4 000 GWh/a
Hoher Energiebedarf Kläranlagen in Deutschland
Stro
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Ausbeute Strom ca. 10% (In Nürnberg ca. 55% Eigendeckungsgrad)
Potenzial Strom ca. 18%(In Nürnberg pot. ca. 93% Eigendeckungsgrad)
Hohes Potenzial Eigenenergieversorgung
175 kWh/EW·a
105 kWh/EW·aM
iner
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atio
nKlärschlamm
Org. Fracht
53 kWh/EW·a
Wär
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Faulgas
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42 kWh/EW·a
CO
2
Methan
Wär
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Strom 17 kWh/EW·a
Nutzwärme 20 kWh/EW·a
Energiedargebot Abwasser in der Kläranlage
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50150250350450550650
Marokko 38%
Israel 1%Tunesien 1%
Andere 8%
Russland 1%Jordanien 6%
USA 6%
Südafrika 10%
China 27%(kein Export)
750850950
1 0501 1501 250 Herkunft weltweite P-Vorräte (ca. 18 Mrd Mg)
USD
/ M
g
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
Phosphat (NH4)2HPO4Harnstoff CO(NH2)2Kaliumchlorid (KCl)
Hoher Bedarf endliche Nährstoffreserve Phosphor
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Klärschlammaufkommen und Verwertung Städtepartner Metropolregion Nürnberg
Rekultivierung Mitverbrennung Gesamt
Nürnberg 11.880 Mg TS 11.880 Mg TS
Erlangen 1.260 Mg TS 2.520 Mg TS 3.780 Mg TS
Fürth 2.160 Mg TS 1.080 Mg TS 3.240 Mg TS
Schwabach 810 Mg TS 810 Mg TS
gesamt 3.420 Mg TS 16.290 Mg TS 19.710 Mg TS
Hohes Potenzial stoffliche Verwertung in der Region
Dünger: ca. 770 Mg P2O5 /aMetalle: ca. 150 Mg /a
Potenzial Rezyklate:
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Optimale energetische und stoffliche Bilanz der Abwasserreinigung• Schadstoffe des Abwassers über den Klärschlamm eliminiert, nicht deponiert
• Abwasserinhaltsstoffe unter Minimierung Treibhausgasemissionen optimal genutzt
• Klärschlamminhaltsstoffe umweltgerecht verwertet
• Abfall in eigener Verantwortung regional allokiert
Stärkung regionaler Standort• Wertschöpfung in der Metropolregion, Sicherung der Arbeitsplätze
• Unabhängigkeit von Oligopolisten und knappen Energieressourcen
• Regionale Lösung der Recyclingaufgabe in der Städteachse (Verbandsarbeit)
• Werbung für die Metropolregion als leistungsfähiger, innovativer Standort
• Vertretbarer Preis, vergleichbar mit Monoverbrennung + Monodeponierung
Nachhaltigkeitsstrategie Nürnberg
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Thermische Verfahren zur P-Rückgewinnung aus Klärschlamm
• Pyrolyseverfahren (Pyreg)
• Rostfeuerung Monoverbrennungsanlagen
• Wirbelschichtfeuerung
• Klärschlammvergasung (Sülzle-Kopf)
• Schmelzvergasung (surface-melting-furnace, Eisenbadreaktor, direct-melting, Mephrec)
• Thomasverfahren
• Bitterfelder Elektro-Lichtbogenverfahren und magnetisch induktive P-Vergasung
Aktuelle thermische Verfahren P-Gewinnung
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System der Klärschlammnutzung
P aus Abwasser/Klärschlamm + Mitverbrennung
KS- und Ascheverhüttung + P - Schlacke
Monover brennung + P aus Asche
1. P - Extraktion 2. Energetische Nutzung
Stofftrennung mit energetischer Nutzung
1. Energetische Nutzung2. P - ExtraktionKriterium /Gewichtung
Energetische Nutzung Eigenbedarfsdeckung
15% − + + − − (+)*
P-Verwertung (Effekt.+ Verfügbarkeit)
15% (Fällung) + (chemischer Aufschluss)
+ + + +
Qualität Produkte 10% + (MAP-Fällung) + + +Abfall 10% (Emissionen Braunkohle) + Emissionen / sonstige Faktoren Ökobilanz
10% + (bei Eigenbe- darfsdeckung)
Regionale Allokation und Wertschöpfung
5% − (Handel) ( + bei kurzer Entfernung)
+ (nur Großanlage) + (nur Großanlage)
Gesamtkosten der Verwertung
25% + (MAP-Fällung) + + − ( )*
Investitionsbindung 5% + − − − −Erfahrung 5% + +
Gesamtwertung + + (+)*
Bewertung Verfahren P-Rezyklierung
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Traditionelle Kupolofen- technik
Verfahrens-Vorbilder
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Gusseisen Schlacke
Verfahrens-Vorbilder
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Magnet-separator
Eisen +Schlacke
Deponie/GrubenverfüllungRecycling
Gaskühler
Ca(OH)2
Abluftgebläse
NH3
Katalysator
Turbine GeneratorVorratsbunker
O2 - Versorgung
N2 - Notlöschmittel
Koks und Kalkstein
Kessel
Abluft
Abfall
Granulierung
Filter
Stabilisierung(Komplexbildner)
FernwärmeStrom
Luft
Verg
aser
direct-melting Japan
Schmelzvergasung Siedlungsabfälle
Verfahrens-Vorbilder
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Verfahren der metallurgischen Phosphorgewinnung aus Klärschlamm (Mephrec®)
Metallurgische Schmelzvergasung im Schachtofen
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Brikettierung
KS-Trocknung
Brüdenkondensation
Luft
Sauerstoff
Zuschlagstoffe
Koks
Klärschlamm
ReststoffeGasreinigung
Abgas
Eisenlegierung
P – Schlacke
Abwasser
Abgasreinigung
Gasverwertung
Schlackegranulierung
Eisenabstich
1
2
3
4
5
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Kupolofen
Luftvorwärmung
Verfahren
Metallurgische Schmelzvergasung Nürnberg (Mephrec)
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Qualität des Phosphorertrags [mg/kg TM]
Dünger P2O5 As Pb Cd Cr Ni Hg Tl Cu Zn U
Teilaufgeschlossenes RohphosphatMittelwert aus 21 untersuchten Düngern
39,8 24,6 10,1 64,0 382 92,7 0,08 1,3 79,6 1126 445
Triple Super-phosphatMittelwert aus 11 untersuchten Düngern
45,5 13,7 32,3 62,1 503 45,9 0,04 0,8 33,6 778 229
Rohphosphat mit kohlensaurem Kalk aus Mee-resalgen, mit MgMittelwert aus 5 untersuchten Düngern
17,8 22,2 21,5 65,7 663 21,4 0,11 6,7 30,2 865 126
Mephrec-Schlacke aus Klärschlamm 11,6 0,59 < 20 0,02 < 1 < 15 0,01 0,01 74 85 10
Grenzwertüberschreitung nach DüMV
Quellen:
Dr. Dittrich, Barbara und Dr. Klose, Ralf. Schwermetalle in Düngemitteln. Schriftenreihe Sächsische Landesanstalt für Landwirtschaft 3/2008
Leiterer, M. und Riedel, R. Konformitätsbescheinigungen zur düngemittelrechtlichen Bewertung eines phosphathaltigen Düngemittels
(hier: Phosphat-Dünger aus der Hochtemperatur Schmelzbehandlung von Klärschlamm nach dem Mephrec®-Verfahren). Jena : Thüringer Landesanstalt für LaWi, 2011
Mephrec Stoffbilanz
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Aktuelle Schadstoffregelungen [mg/kg TM]
Gesetzliche Bestimmung As Pb Cd Cd/kg P2O5 Cr VI Ni Hg Tl Cu Zn U
Bioabfallverordnung (BioAbfV) -- 150 1,5 -- -- 50 1 -- 100 400 --
Düngemittelverordnung (DüMV) 40 150 1,5 50 2 80 1 1 -- -- --
Klärschlammverordnung (AbfKlärV)< 5% P2O2 in der TM
-- 120 2,5 -- -- 80 1,6 -- 700 1500 --
Klärschlammverordnung (AbfKlärV)> 5% P2O2 in der TM
-- 150 3,0 -- -- 100 2 -- 850 1800 --
Phosphatdünger aus (DüMV) Schmelzvergasung
5 50 0,1 10 1 15 0,1 0,1 100 200 --
Nachgewiesene Werte Mephrec- Schlacke aus Schmelzvergasung
0,59 < 20 0,014 0,14 < 1 < 15 < 0,01 0,01 74 85 10,3
Mephrec Stoffbilanz
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Energetisches Potenzial (Bilanz Nürnberg Klärwerk 1)
KS Nürnberg
KS ErlangenKS FürthKS Schwabach
Hüttenkoks
Abluft Quenchwasser
Stromver-sorgung
Abgas
Gebäude-heizung
PhosphorEisenschrott
KS Faulung
TrocknungBrikettierung
Kupol -Ofen
BHKW
BHKW
Mephrec Energiebilanz
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Kosten Großanlage
• Anlagenleistung 2,5 Mg/h Klärschlamm (TS)
70.000 Mg Klärschlamm (27%TS)
• Investitionskosten netto 21,5 Mio. EUR
• Laufende Kosten netto 4,8 Mio. EUR/a
• Erlöse netto 2,1 Mio. EUR/a
• Geplante P-Leistung 7.660 Mg/a Schlacke (1.380 Mg/a P2O5)
• Kosten Phosphorproduktion 10,50 EUR/kg
ohne Berücksichtigung KS-Entsorgung, Stromeinspeisung, Wärmenutzung, Verkauf Eisenschrott
(Kostenabschätzung im Vergleich zu Gutachten PhoBe RWTH Aachen 2011)
Wirtschaftslichkeitskriterien: Mindestanlagengröße und Preis Betriebsmittel (besonders Sauerstoff und Koks)
Mephrec Preis
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Kosten Großanlage
Return of Invest ohne P-Verkauf
0102030405060708090
0 5 10 15 20 25 30Betriebsjahre [a]
Mio EUR (incl. MwSt, Zinsfaktor 4,5%)
Entsorgungskosten in der Mit-/Monoverbrennung
Anteil Betriebskosten inkl. Erträge Strom
Anteil Investition und Reinvestition
Gesamtkoste
n inkl. Erträ
ge Strom + Schro
tt u. Phosphor
Returnof Invest
Deckungsbeitrag aus Substitution Klärschlammentsorgung:
72 EUR/t KS mit 28% TS (incl. MwSt) 0 EUR/t P-Düngerverkauf
Mephrec Preis
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Au
fste
llun
gsp
lan
Mephrec Pilotanlage: Planung
Straße
Schotterrasen
Weg
Böschung
Grünfläche
Dachfläche
Dachfläche
Dachfläche
Bediengang
Dachfläche
Straße
Weg
Bedienweg
Weg
Zugang
Straße
Brache
Weg
Weg
Weg
KA D
N 20
0
BW 8
0
BW 150
V1B0104BA471
V1B0104BA093
0 + 021.12
0 +
150.51
Läng
ssch
nitt
Kolle
ktor
G
2
F39U119
86.05
0 + 000.00Z1V3819QM004750/4/7
Z1V3819QM003750/3/7
Z1V3819QM002750/2/7
Z1V381
0 +
173.44
Läng
ssch
nitt
Kolle
ktor
G
0 + 000.00
Bindem
ittel-
SiloKS-A
sche-
Silo
Lichtkuppel
Lichtkuppel
Lichtkuppel
B.3.M.5(1)P.3.M.6(1)
P.3.M.6(2)
Kondensatleitung
G1F1005AB003
Mischer
Brikettierung
Leitwarte,Messcontainer
ZwischenlagerboxMephrec-Granaulat4x5m
O2-Tank
O2-
Verd
ampf
er
1,95
2,92
2,49
4,00
3,00
4,00
1,70
0,21
4,00
0,15
5,98
1,99
Flüssiggastank
30,00
12,40
Koks-
Silo
Kalkst
ein-
Silo
17,00
10,00
35,64
6,51
7 Fahrrad-stellplätze
Pkw-Stellplatz
Pkw-Stellplatz
Pkw-Stellplatz
Pkw-Stellplatz
Pkw-Stellplatz
Taschenförderband
Schrägförderband
-
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Wer
kpla
nu
ng
Mephrec Pilotanlage: Planung
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Beispiel Ökobilanzierung
Vergleich der Systeme:
• Konventionelle
Klärschlammentsorgung
• Klärschlammverwertung
mit Mephrec-Verfahren
• Konventionelle Verfahren
zur Herstellung der
Produkte Dünger, Eisen
und Strom
Klär
anla
geKl
ärsc
hlam
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rwer
tung
Aufb
e-re
itung
Energie
Energie
Betriebs-stoffe
Betriebs-stoffe
Hilfs-energie
Dünger Fe-Schrott
Kraft-stoffe
P-Schlacke Fe-Legierung Abfälle
Ress
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äran
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tem
Was
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miss
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ftem
issi
onen
Abfä
lle
Resso
urcen
sons
tige
Emiss
ionen
so
nstig
e
kommunalesAbwasser
entwässerterKlärschlamm
ProzessketteAbwasserreinigung /Schlammerzeugung
KlärschlammschmelzeSchlammvergasung
Düngemittel-herstellung
Abfall-entsorgung
Schlammtrocknung Abluftbe-handlung
Abluftbe-handlung
Brikettierung
VorprozesseAbwasserreinigung
HauptprozesseAbwasserreinigung
HauptprozesseSchlammverwertung
VorprozesseSchlammverwertung
NachprozesseProduktverarbeitung
Nutzen Äquivalenzsystemezur Herstellung gleicher Stoffe
Mephrec Pilotanlage: Wissenschaftliche Begleitung
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• Planung+Bau und Probebetrieb 2,5 Jahre
• Anlagenleistung / Klärschlammdurchsatz TS 0,5 Mg/h
• Investitionskosten brutto 3,5 Mio. EUR
• Laufende Kosten brutto 2,2 Mio. EUR
Verbundprojektkoordination ERWAS Quote**
Klärschlammverwertung Nürnberg GmbH 90%
Wirtschaftspartner + Wissenschaftspartner
Baumgarte Boiler Systems GmbH 50%INNOVATHERM GmbH 50%Fraunhofer UMSICHT 100%Institut Energie- Umweltforschung GmbH 95%RWTH Aachen 100%Universität der Bundeswehr München 100%
* Drittmittel und Einnahmen werden angerechnet** Berücksichtigt nur anrechenbare Projektmittel
Pilotanlage
Mephrec Pilotanlage: Kooperation + Preis
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1.2 Ökobilanzierung im Vergleichzu alternativen Entsorgungswegen
2.1 Bereitstellung techn. Komponenten und Nachweis der Technologie
2.2 Bilanzierung Mephrecund Verfahrenskette
2.3 Einbindung Verfahrenskettein die Kläranlage
2.4 Verwertungskonzept für entstehendes Synthesegas
2.5 ÖkobilanzierungVerfahrenskette
3.1 Erprobung alternative Einsatzstoffe (Klärschlamm-Asche)
3.2 Qualität recycelter Phosphate
3.3 Vergleich mit anderenRecycling-Verfahren
3.4 Regionales Vermarktungskonzeptfür recycelten Phosphor
4.1 Auswertung und Zusammenstellung Ergebnisse
4.2 Verwendungsnachweis ProjektmittelProjektabschluss
5 Projektbegleitung
1.1 Regionales Energie- und Stoffstrommanagement
X
X
X
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X
Regio
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Oktob
er
1 2 3 4 5 6 7
Vorprojekt
Projektmanagement Abrechnun Verknüpfung Teilaufgaben
MeilensteinX
Bau Pilotanlage
Ausschreibung / Vergabe technischer Komponenten
BImSch- undBaugenehmigung
Entwurfs- und Genehmigungsplanung
Xbeteiligt
federführend
Netzplan
Mephrec Pilotanlage Terminplan
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Stadtentwässerung und
Umweltanalytik Nürnberg
Adolf-Braun-Straße 33
90429 Nürnberg
1874 Bau Kanalisation Nürnberg –> Gesundheit und Komfort
1914 Erste Großkläranlage –> Beginn Umweltschutz
2014 Klärschlammrecycling –> Schließen der Energie- und Stoffströme
Es muss viel gedacht und noch mehr gewusst werden.
Otto Schwarzmann & Burkard Hagspiel
+49 (0)9 11 / 231 45 20
http://www.klärschlammverwertung.nuernberg.de
Klärschlammverwertungskonzept Region Nürnberg