06.10.2020
Energietechnik

Die Vorteile der dezentralen Klärschlammentsorgung

Klärschlammmonoverbrennung

Gemäß der Klärschlammverordnung von 2017 werden sich auch Kläranlagen ab bereits 50.000 EW der Pflicht der Phosphorrückgewinnung stellen müssen und sind verpflichtet Lösungen aufzuzeigen. Dabei wird der Norden der Republik mit den aktuell geplanten Großanlagen zukünftig so gut abgedeckt sein, dass bereits ein Überangebot an Entsorgungskapazitäten befürchtet wird.

Zentrale oder dezentrale Entsorgung

Im topografisch etwas anspruchsvolleren Süden hingegen macht eine Klärschlammentsorgung durch wenige Großanlagen aus mehreren Gründen wenig Sinn: Zum einen sind die Transportwege wegen einer kleinräumigeren Struktur deutlich länger. Das wirkt sich negativ auf die CO2-Bilanz der Klärschlammentsorgung aus. Zum anderen birgt gerade in einer kleinräumigeren Struktur eine Entsorgung mit nur wenigen Großanlagen ein zusätzliches Risiko: Sollte eine Anlage ausfallen oder in Revision gehen, verschärft das die Entsorgungslage durch dann deutlich längere Wege schlagartig. Ein Netz mehrerer kleinerer Anlagen kann sich dabei besser gegenseitig unterstützen und ist redundanter aufgestellt. Falls hier eine Anlage wegen Überkapazitäten aus dem Entsorgungsnetz genommen werden soll, wirkt sich dieser Kapazitätsverlust im Gegensatz zum Ausstieg einer Großanlage nicht gravierend auf die Gesamtentsorgungssituation aus.

Der Gesetzgeber unterstützt daher dezentrale Entsorgungskonzepte durch unterschiedliche Maßnahmen. So werden kommunale Unternehmen bei einer Investition in eine dezentrale thermische Klärschlammentsorgung gefördert. Ganz besonders aber hilft die Tatsache, dass Anlagen mit einer Klärschlammverbrennung von maximal 3 t/h nur ein vereinfachtes Genehmigungsverfahren nach der 4. BImSchV durchlaufen müssen. Damit wird die Realisierungsphase für eine Klärschlammmonoverbrennung für Anlagen bis ungefähr 650.000 Einwohnergleichwerten deutlich vereinfacht und verkürzt.

Größere Anlagen haben in der Vergangenheit gezeigt, dass durch den Mengendegressionsfaktor Anlagen mit steigender Größe auch sinkende Verarbeitungskosten je Tonne aufweisen. Die Großanlagen benötigen jedoch auch ein großes Genehmigungsverfahren nach der 17. BImSchV mit Bürgerbeteiligung, was sich auch in den Investitionskosten und einer wesentlich längeren Realisierungszeit niederschlägt. Bei Anlagen mit 3 t/h liegen größenbedingt die spezifischen Betriebskosten zwar etwas höher als bei Großanlagen, dafür kann aber die Anlagengröße für genau diesen Betriebspunkt standardisiert werden. Das senkt die spezifischen Baukosten im Vergleich zu kleineren oder größeren Anlagen wiederum deutlich. Dadurch entstehen Kostenvorteile, die für dezentrale Kleinanlagen in dieser Baugröße sprechen.

Klärschlammmonoverbrennung - Geschätzte spezifische Betriebskosten €/t für unterschiedliche Anlagengrößen (inkl. Finanzierung und Abschreibung auf Vollkostenbasis und 10 Jahre berechnet), © WEHRLE
Geschätzte spezifische Betriebskosten €/t für unterschiedliche Anlagengrößen (inkl. Finanzierung und Abschreibung auf Vollkostenbasis und 10 Jahre berechnet), © WEHRLE
 
WEHRLE - Beispiel einer 3 t/h-Klärschlammmonoverbrennungsanlage komplett mit Trockner und Verwaltungsgebäude auf einer Fläche von ca. 45 m x 55 m, 3D-Ansicht und Draufsicht, © Rückert NatUrGas GmbH
WEHRLE - Beispiel einer 3 t/h-Klärschlammmonoverbrennungsanlage komplett mit Trockner und Verwaltungsgebäude auf einer Fläche von ca. 45 m x 55 m, 3D-Ansicht und Draufsicht, © Rückert NatUrGas GmbH
Beispiel einer 3 t/h-Klärschlammmonoverbrennungsanlage komplett mit Trockner und Verwaltungsgebäude auf einer Fläche von ca. 45 m x 55 m, 3D-Ansicht und Draufsicht, © Rückert NatUrGas GmbH
 

Standardisierung der Anlagengröße für 3 t/h Klärschlamm

Die dezentrale thermische Verwertung von Klärschlamm erfolgt größtenteils mittels stationärer Wirbelschichtanlagen. Die eigentliche Feuerung lässt sich aufgrund der Tatsache, dass Klärschlamm in einer Monoverbrennung entsorgt werden soll, relativ einfach standardisieren. Mit dazu gehören die Anlagenkomponenten für die obligatorische Phosphorrückgewinnung. Die restlichen Anlagenteile, Klärschlammtrocknung, Beschickung, Energieerzeugung und nicht zuletzt Rauchgasreinigung können wie in einem Baukasten an die lokalen Randbedingungen und Kundenpräferenzen angepasst werden.

© WEHRLE: dezentrale Klärschlammentsorgung - Klärschlammmonoverbrennung  / Verfahrenstechnisches Baukastensystem
Verfahrenstechnisches Baukastensystem, © WEHRLE
 

Neben den Zeit- und Kostenvorteilen bietet die Standardisierung auch ein Plus an Prozesssicherheit durch den Einsatz langzeiterprobter Verfahrenstechniken und Anlagenkomponenten. Die Standardisierung ist somit nicht nur die Voraussetzung, kleine dezentrale Anlagen wettbewerbsfähig zu machen, sondern gestaltet den späteren Betrieb einfacher und günstiger. Durch die eingesetzten, langzeiterprobten Verfahrenstechniken wird die gesamte Anlagentechnik besonders zuverlässig und erreicht eine hohe Verfügbarkeit von > 8.300 Betriebsstunden pro Jahr. Dabei darf die Standardisierung die für eine zuverlässige Entsorgung erforderliche Flexibilität nicht einschränken. Die Anlagentechnik muss flexibel mit unterschiedlichen Brennstoffheizwerten zurechtkommen, um somit einen gesicherten Anlagenbetrieb zu gewährleisten. Ergänzt wird diese Brennstoffflexibilität bei der Brennstoffversorgung durch die im ersten Kesselzug integrierte gekühlte Wirbelschicht mit gestufter Verbrennung für eine bestmögliche kontrollierte Verbrennung und somit sehr geringe Stickoxydbildung.

Ein besonderes Augenmerk verdienen auch die Klärschlammtrockner. Die Bandbreite zwischen relativ günstigen, aber wartungsintensiven Trocknern und den eher teuren Trocknern, die dafür ohne bewegliche medienberührte Teile auskommen, ist enorm. Als Teil eines flexiblen Baukastensystems kann eine den Kundenansprüchen passende Anlage gewählt und an die Wirbelschichtverbrennung angepasst werden.
 

Phosphorrückgewinnung

In der Anlagenplanung bereits heute zu berücksichtigen ist auch die zukünftige Phosphorrückgewinnung: Bei der standardisierten Wirbelschichtverbrennung findet bereits bei der Verbrennung eine Klassierung in eine phosphorreiche und eine phosphorarme Fraktion statt. Die phosphorarme Fraktion wird hierbei schon im ersten Kesselzug ausgeschleust. Die flugfähige phosphorreiche Asche wird bei über 700 °C in einer nachgeschalteten Heißzyklonanlage aus dem Rauchgas abgetrennt. Schwermetalle und viele andere Schadstoffe sind da noch gasförmig und kondensieren erst in einem kühleren Bereich des Abhitzekessels in den Kesselzügen 2 und 3 und dem Economizer an den Restaschepartikeln und werden schließlich durch eine Rauchgasreinigung mit einem nachgeschalteten Rauchgasfilter gezielt aus dem Rauchgas abgeschieden.

Dabei richtet sich die Qualität der Asche – und damit der zukünftige Verwertungspreis – nach dem
Temperaturfenster, bei dem die phosphorreiche Asche abgetrennt wird. Verfahrenstechnisch ist hier eine Abtrennung mittels eines Heißzyklons ein großer Vorteil. Dadurch kann besonders phosphorreiche und schadstoffarme Asche abgetrennt und als Vorstufe zu einem nachfolgenden P-Recycling, nasschemisch elementar aufgeschlossen oder in der Landwirtschaft als Dünger genutzt werden.

Klärschlammasche aus Heißzyklon, © WEHRLE Testdünger aus Klärschlammasche, © WEHRLE
Foto links: Klärschlammasche aus Heißzyklon, © WEHRLE 
Foto rechts: ​Testdünger aus Klärschlammasche, © WEHRLE
 
Geschätzte Kosten der dezentralen Klärschlammentsorgung (auf Vollkostenbasis incl. Finanzierung netto, Abschreibung = 10 Jahre, „Bau auf der grünen Wiese”), © WEHRLE
Geschätzte Kosten der dezentralen Klärschlammentsorgung (auf Vollkostenbasis incl. Finanzierung netto, Abschreibung = 10 Jahre, „Bau auf der grünen Wiese”), © WEHRLE
 

Fazit

Bei Betrachtung der Investitionskosten und der spezifischen Betriebskosten bei der Klärschlammmonoverbrennung zeigt sich, dass eine Anlagengröße für die dezentrale Verwertung von 3 t/h Klärschlamm besonders wirtschaftlich realisiert und betrieben werden kann. Aus diesem Grund wird diese Anlagengröße als standardisierte Lösung angeboten.

Ein offenes Konzept für die Klärschlammtrocknung erlaubt eine den Standortanforderungen angepasste Auswahl der passenden Aggregate zur Ankopplung an die Wirbelschichtverbrennung.

Eine besonders hohe Qualität der Phosphorasche vereinfacht die zukünftige Wiederverwertung. Daswird durch die geeignete Auswahl des Temperaturfensters bei der Ausschleusung der phosphorbeladenen Ascheteilchen erreicht.

Standardisierung bedeutet: 

  • Reduzierte Baukosten, dadurch reduzierte Betriebskosten
  • Hohe Verfügbarkeit durch standardisierte erprobte Baugruppen

Dezentral bedeutet: 

  • Regional höhere Akzeptanz
  • Kürzere Transportwege sparen CO2 ein
  • Die Möglichkeit regionaler Stoffkreisläufe
  • Günstige Entsorgungskosten