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 Nürnberg Pilotprojekt Metallurgisches Phosphor-Recycling O. Schwarzmann, B. Hagspiel Stadtentwässerung und Umweltanalytik Nürnberg

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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

  • Hagspiel Stadtentwässerung und Umweltanalytik Nürnberg | KRN-Mephrec in Nürnberg 2 / 24

    00 20 40

    spezifischer Stromverbrauch [kWh/(EW×a)]

    % d

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    60 80 100 120 140 160 180 200

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    30

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    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

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    nKlärschlamm

    Org. Fracht

    53 kWh/EW·a

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    Faulgas

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    42 kWh/EW·a

    CO

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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

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    4

    5

    6

    7

    8

    9

    10

    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

  • Hagspiel Stadtentwässerung und Umweltanalytik Nürnberg | KRN-Mephrec in Nürnberg 16 / 24

    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

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    gsp

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    Mephrec Pilotanlage: Planung

    Straße

    Schotterrasen

    Weg

    Böschung

    Grünfläche

    Dachfläche

    Dachfläche

    Dachfläche

    Bediengang

    Dachfläche

    Straße

    Weg

    Bedienweg

    Weg

    Zugang

    Straße

    Brache

    Weg

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    Weg

    KA D

    N 20

    0

    BW 8

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    BW 150

    V1B0104BA471

    V1B0104BA093

    0 + 021.12

    0 +

    150.51

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    86.05

    0 + 000.00Z1V3819QM004750/4/7

    Z1V3819QM003750/3/7

    Z1V3819QM002750/2/7

    Z1V381

    0 +

    173.44

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    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

  • Hagspiel Stadtentwässerung und Umweltanalytik Nürnberg | KRN-Mephrec in Nürnberg 20 / 24

    Wer

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    Mephrec Pilotanlage: Planung

  • Hagspiel Stadtentwässerung und Umweltanalytik Nürnberg | KRN-Mephrec in Nürnberg 21 / 24

    Beispiel Ökobilanzierung

    Vergleich der Systeme:

    • Konventionelle

    Klärschlammentsorgung

    • Klärschlammverwertung

    mit Mephrec-Verfahren

    • Konventionelle Verfahren

    zur Herstellung der

    Produkte Dünger, Eisen

    und Strom

    Klär

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    geKl

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    Energie

    Energie

    Betriebs-stoffe

    Betriebs-stoffe

    Hilfs-energie

    Dünger Fe-Schrott

    Kraft-stoffe

    P-Schlacke Fe-Legierung Abfälle

    Ress

    ourc

    enKl

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    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

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    Vorprojekt

    Projektmanagement Abrechnun Verknüpfung Teilaufgaben

    MeilensteinX

    Bau Pilotanlage

    Ausschreibung / Vergabe technischer Komponenten

    BImSch- undBaugenehmigung

    Entwurfs- und Genehmigungsplanung

    Xbeteiligt

    federführend

    Netzplan

    Mephrec Pilotanlage Terminplan

  • Hagspiel Stadtentwässerung und Umweltanalytik Nürnberg | KRN-Mephrec in Nürnberg 24 / 24

    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

    [email protected]

    http://www.klärschlammverwertung.nuernberg.de

    Klärschlammverwertungskonzept Region Nürnberg