Neuplanung und Realisierung von Klärschlamm ... und... · Mannheim, Koblenz 2.300 – 5.000 t; TS /a z. B. Sülzle-Kopf ; Pyrolyse ; Modulare Konzepte mit wenigen Anwendungen im

Neuplanung und Realisierung von Klärschlamm-Monoverbrennungsanlagen

Dipl.-Ing. Jörn Franck Dr. Born - Dr. Ermel GmbH Ingenieure 28832 Achim [email protected] +49 4202 758-744

Neuplanung und Realisierung von Klärschlamm-Monoverbrennungsanlagen / Dipl.-Ing. Jörn Franck / 09.-11.11.2016

Einführung

Die dezentrale / zentrale KVA Rügen

Das Großprojekt der TVM in Mainz

Das Erweiterungskonzept ZVK Steinhäule / Neu-Ulm

Zusammenfassung und Ausblick


Inhalt

Worum es geht …

Ca. 800.000 tTS/a Klärschlamm

Ca. 200 Mio m³/a Gärreste

Ca. 310 Mio m³/a Gülle

LNF: 16,7 Mio. ha 30 m³/a*ha = 3 l/a*m²

> 500 Mio m³/a


Phosphor-Recycling; Aussage des Koalitionsvertrages „Deutschlands Zukunft gestalten“ für die 18. Legislaturperiode

–„… die Klärschlammausbringung zu Düngezwecken zu beenden und Phosphor und andere Nährstoffe zurück zu gewinnen“ (AbfKlärV)

Hygieneaspekte; Medikamentenreste aus der kommunalen Abwasserbehandlung oder der Massentierhaltung können zu resistenten Bakterienstämmen führen, die über Umwelt und Nahrungsmittel in den menschlichen Organismus gelangen können

Umweltaspekte; z.B. durch Überdüngung, Schwermetalle, persistente organische Verbindungen und andere Schadstoffe (z. B. Mikroplastik)

Worum es (auch) geht …


Klärschlammverwertungswege in den Bundesländern Quelle: Statistisches Bundesamt: Abwasser und Klärschlamm in Deutschland – statistische Betrachtungen, Korrespondenz Abwasser, Abfall 2014 (61) Nr. 12

Klärschlamm in den Bundesländern

Gesamtaufkommen aus der kommunalen Abwasser-behandlung 2013: ca. 1,9 Mio. MgTS

Gesamtaufkommen aus der nicht-öffentlichen Abwasser-behandlung 2010: ca. 1,7 Mio. MgTS

Derzeitige Entsorgung: – Ca. 40 % stoffl. Verwertung in der

Landwirtschaft – Ca. 60 % therm. Verwertung in

Verbrennungsanlagen

Mainz Neu-Ulm Rügen


Status Quo der Thermischen Klärschlammbehandlung

Möglichkeit thermische Klärschlammentsorgung – Mitverbrennung in Kohlekraftwerken, Zementwerken oder

Abfallverbrennungsanlagen – Mono-Klärschlammverbrennungsanlagen

Aspekte der Mitverbrennung – Limitierung von Kontingenten aufgrund genehmigungsrechtlicher und /oder

betrieblicher Vorgaben einzelner Standorte – Kapazitätseinschränkungen durch „Energiewende“ (Abkündigung von

Kraftwerken) – Wirtschaftliche Aspekte der Entsorgung (Transport, Aufbereitung, Qualitäten)

Mono-Klärschlammverbrennungsanlagen – Effektive Schadstoffsenke für den Klärschlamm – Prioritärer Weg der Phosphorrückgewinnung aus der Verbrennungsasche – Effiziente Nutzung des im Klärschlamm enthaltenen Energiepotentials – Wirtschaftlich unabhängig von steigenden Entsorgungspreisen, somit hohe

Entsorgungssicherheit


Verfahrensübersicht - Thermische Klärschlammbehandlung

Thermische Klärschlamm-behandlung

Mono-behandlung

Verbrennungs-verfahren

λ > 1

Vergasungs-verfahren

λ > 0

Pyrolyse-verfahren

λ = 0

Mitbehandlung

Kohle- kraftwerke

Zementwerke

Abfall-behandlung

Wirbelschichttechnologie ca. 75 %

Erzeugung von qualitativ hochwertigem Produktgas durch Umwandlungsprozesse

Thermochemische Spaltung organischer Verbindungen ohne zusätzlichen Sauerstoff

Staubfeuerung, zirkulierende Wirbelschicht

Drehrohrofen

Rostfeuerung


Verfahren Referenzen Größenordnung Anbieter

Stationäre Wirbelschicht

ca. 20 realisierte Anlagen 4.000 bis 95.000 tTS/a Diverse

Vergasung ca. 3 Anlagen: Balingen, Mannheim, Koblenz

2.300 – 5.000 tTS/a z. B. Sülzle-Kopf

Pyrolyse Modulare Konzepte mit wenigen Anwendungen im Klärschlammbereich 3 Anlagen: Versuchsanlage Dörth, Linz-Unkel, Homburg (im Bau), Emmerich (in Planung)

Im Bereich von 1.000 tTS/a

z. B. Pyreg, Pyromax, Thermosystems


Anlagenreferenzen in Deutschland

Wirbelschichtverfahren Klärschlamm-Monoverbrennung

Que

lle: U

BA (2

012)

*V

erbr

enne

n ko

mm

unal

en u

nd in

dust

rielle

n K

lärs

chla

mm

Standort Nom.

Kapazität TS

Gehalt Anzahl Öfen

Trockner Inbetrieb-

nahme Aktivitäten ?

tTS/a % J/N (Art)

1. Berlin-Ruhleben 84.100 26 3 N 1985 Neubau Wassmannsdorf, Ertüchtigung

Ruhleben angedacht

2. Bitterfeld-Wolfen* 15.200 25 1 J (S) 1997 Neuer Ofen für kommunalem

Klärschlamm angedacht

3. Bonn 8.000 23,5 2 N 1981 Unbekannt

4. Bottrop 44.000 40 2 N 1991 Unbekannt

5. Düren 14.000 40 1 J (S) 1975 Unbekannt

6. Elverlingsen-Werdohl 61.320 28-32 1 N 2002 Stand-alone Konzept wegen KW

Abschaltung in Umsetzung

7. Frankfurt am Main 52.560 28 4 Intern 1981 Neubauplanung vergeben

8. Gendorf* 10.000 20-35 1 J (S) 2006 Unbekannt

9. Hamburg 78.840 40 3 J (S) 1997 Erweiterungsplanung angedacht

10. Herne 22.200 25 1 N 1990 Unbekannt

11. Karlsruhe 20.000 25 2 J (S) 1982 Linie 2 erneuert, Linie 1?

12. Lünen 95.000 25 1 N 1997 Unbekannt

13. München 22.000 25 2 J (S) 1997 Neubauplanung nach umfangreichen

Machbarkeitsstudien angedacht

14. Stuttgart 32.000 25 2 J (D) 2007 Ertüchtigung WSO 2, Planung vergeben

15. Neu-Ulm 16.000 25 2 J (D) 1979 Neubauplanung 3 Linie, vergeben

16. Wuppertal 32.000 25 2 J (D) 1977 Neubauplanung nach umfangreichen

Machbarkeitsstudien angedacht


Einführung






Inhalt

Kommunale Abwasserbeseitigung in Mecklenburg Vorpommern, Lagebericht 2015 Quelle: Landesamt für Umwelt, Naturschutz und Geologie, Güstrow 7/2015

Abwasserbehandlung in Mecklenburg-Vorpommern

Gesamtaufkommen Klärschlamm aus der kommunalen Abwasser-behandlung 2013: ca. 35.000 MgTR/a

Davon in M-V landwirtschaftlich genutzt ca. 32.000 MgTR/a

Aus anderen Bundesländern ca. 10.000 MgTR/a

Aufbau einer zentralen KVA im Raum Rostock durch die Klärschlamm-Kooperation MVP GmbH


Klärschlammentsorgung ZWAR Rügen

Schlammaufbereitung – Entwässerung teilweise

dezentral durch Zentrifugen – TS-Gehalte zwischen 21%

und 25% Mengenströme und

Entsorgungswege – Klärschlamm Co-

Vergärung in Biogasanlage • Landwirtschaftliche

Verwertung des Gärrestes • Entsorgungskosten (netto)

– Entwässerter KS 30 €/tTS – Transport 14 €/t (ca. 8 km)

– Rechengut thermische Verwertung

– Strandgut Kompostierung

Gutachten / Studien – Verwertungsarten /-technik – Entsorgungsgebiete

• Nur Rügen (2001) • Region Vorpommern und

Rügen gemeinsam (2005) • Nur Rügen (2006)

Gespräche mit Betreibern – Mora, Bruneck, Bad Vösslau,

Gifhorn und Balingen – Test in KVA Neu-Ulm (Algen)

„Insel-Lösung“ Autarke Lösung zur thermischen Verwertung des Klärschlamms für und auf der Insel Rügen


Standorte Kläranlagen Rügen

ZKW Bergen


Kombiniertes Schlammbehandlungsverfahren – Schlammfaulung mit Gasspeicher – Schlammentwässerung und -trocknung – Thermische Schlammbehandlung in stationärer Wirbelschicht – Abgasreinigung im quasi-trocken Verfahren

Energienutzung – Faulgasnutzung in BHKW-Motor

• Strom und Wärme für KA Standort – Wärme aus Klärschlammverbrennung

• Trocknung des KS für autotherme Verbrennung Reststoffe

– Asche aus Verbrennung für mögliches späteres P-Recycling – Reststoffe aus Abgasreinigung zur externen Entsorgung

Anlagenkonzept Rügen


Anlageneckdaten

Parameter Einheit Wert

Faulung

Durchsatzleistung m³/d 120

Gasmenge m³/h 110

Energieerzeugung (BHKW) kWel. 330 Energieerzeugung (thermisch) kWth. 360

Verbrennung

Brennstoffmenge (Klärschlamm, Rechengut, Strandgut) MgTS/a 2.000

Durchsatzleistung Ofen kgTS/h 180 - 270

TR-Gehalt, Mischung Ofeneintritt % ca. 55 Feuerungswärmeleistung MWth 0,900

Luftvorwärmung °C 245

Verbrennungsasche (nutzbar) t/a ca. 800

Rückstandsmenge (Deponie) t/a ca.500


Genehmigungsverfahren

Genehmigung gemäß § 4 BImSchG für Neuanlage

Einstufung „V“ nach Spalte 8.1.1.4, Anhang 1, 4. BImSchV, da

Durchsatz < 3 t/h

• Vereinfachtes Verfahren (§19)

Einstufung „A“ nach Nr. 8.1.1.3 Spalte 2;

• „allgemeine Vorprüfung des Einzelfalles“ zur UVP nach UVPG

Es gelten die Anforderungen der 17. BImSchV für die

Abgasemissionen und den Betrieb


Aufstellungskonzept

Faulung

Monoverbrennung

BHKW

Gasspeicher


Anlagenkonzept Faulung

BHKW

Entwässerung

Faulreaktor Gasspeicher

Eindicker

Notfackel

Co-Substrat

Roh-Schlamm

Dick-Schlamm


Anlagenkonzept Verbrennung

Ofen

Trockner Gewebefilter

E-Filter Kessel


Konzept Wirbelschichtofen

Nachbrennkammer

Primärbrennkammer

Anfahrbrennkammer, Primärluft-,

Reziluftzugabe

Brennstoffaufgabe

Sekundärluftzugabe

Abgasaustritt

TR-Gehalt vor Ofen – Ca. 55 %

Temperaturen – Wirbelschicht

850 °C

Gestufte Verbrennung – PLO2-Gehalt λ

~0,45 – SLO2-Gehalt λ > 1,2 – Reduzierung von

NOx – Verbessertes

Teillastverhalten


Los Nr.

Los / Titel Abfrage Angebote Preisspanne [Mio. €

gerundet, netto] 1 Bautechnik 12 3 3,3 – 3,9 2 Maschinentechnik

Faulung inkl. Entwässerung und Trocknung

19 6 2,4 – 3,7

3 BHKW-Motorenanlage 18 4 0,39 – 0,48 4 Klärschlammverbrennu

ng inkl. Abgasreinigung 16 5 4,3 – 7,2

5 EMSR-Technik 5 4 0,92 – 1,34

Ausschreibungsverfahren


Kostenrahmen

Leistungen Kosten [€, netto]

Bauleistungen 2.700.000

Maschinentechnik Faulung 2.000.000

Blockheizkraftwerk 300.000

Verbrennungstechnik 3.600.000

Elektro- und Leittechnik 900.000

Standortinfrastruktur und Auftragsabwicklung

1.800.000

Gesamtsumme 11.300.000


Projektrealisierung

Baufeldfreimachung III/2015

Grundsteinlegung 27.11.2015

IBN Faulung IV/2016

IBN Gesamtanlage II-III/2017

Projektstand 10/2016


Einführung






Inhalt

Klärschlammentsorgung 2014

25

50 39

68 35

42

0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%

100%

sonstige Verwertung

Landbau

Landwirtschaft

ThermischeEntsorgung


Bedarf an Mono-Verbrennungskapazität

Rheinland Pfalz – 50.000 tTS/a

Hessen – 50.000 tTS/a

Saarland – 20.000 tTS/a

Summe: – 120.000 tTS/a


Standortprüfung Mainz


Gründung der TVM


Wer liefert zur TVM GmbH


Anlagenkonzept - Schlammmengen

Herkunft Konsistenz

Trocken-substan

z (%)

Massenstrom trocken (MgTS/a)

Massenstrom feucht (Mg/a)

Klärschlamm ZKW Mainz entwässert 26 6.000 23.080

Klärschlamm ZKW Kaiserslautern

entwässert 26 2.470 9.500

Fremdschlamm Granulat 90 2.000 2.220 AVUS entwässert 23 2.000 8.700 Fremdschlamm entwässert 23 25.040 108.870 Durchsatz, gesamt 37.510 152.360


Anlagenkonzept - Aufstellungsort

Anlagenstandort


Anlagenkonzept TVM Mainz

Rest-stoff-silo

Elektro-Filter

Quenche Gewebefilter

Kamin

Wirbel-sand

Harn-stoff

Turbine

Abhitzekessel

Wirbelschicht-ofen

Economiser

Über-hitzer

Ver-dampfer

Sorbens-silo

Wasser

Strom-erzeugung

LKW-Abfuhr

LKW-Abfuhr

Brüdenzum ZKW

Trocknung

Luftkammer

Fremd-Schlamm,entwässert

Fremd-Schlamm,getrocknet

Trocken-gutsilo

Luft-Kondensator

Warme Abluft

Abluft

Stapel-bereich

Schlamm

Schlammbunker

Asche-silo

Asche-silo

Schlamm-Annahmehalle

SchlammKL

Schlamm ZKW

Entwässerung

Annahme, Lagerung und Aufbereitung

Energieerzeugung

Thermische Behandlung


Anlagenkonzept – Schlammannahme / Lagerung


Anlagenkonzept – Wirbelschichtofen / Kessel

Zwei-stufiger Ofen – Primärluft: 0,5 fache Menge der

minimalen Verbrennungsluft – Sekundärluft: 1,2 fache Menge

der minimalen Verbrennungsluft – Rezi-Luft: Erzeugung Wirbelbett

Keine SNCR-Anlage (Verbrennungstemp. < 1.000 °C, NOx) – Vorteil:

• Vergleichsweise niedriger Strombedarf (Gebläsetechnik)

• geringere NOx-Bildung (< 50 mg/m3N,tr)

Hochdruck-Dampf-Kessel – 65 bar/450 °C für Turbine und

3,5 bar/190 °C für Trocknung

Nachbrennkammer

Wirbelbett


Anlagenkonzept – Abgasreinigung

Allgemein: Abscheidung Schadstoffe, Schwermetalle, Dioxine, Furane aus Abgas

Stand der Technik:

Quelle: Abgasreinigung für Mono-Klärschlammverbrennungsanlagen, M. Gutjahr, K. Niemann


Abgasreinigungsverfahren – Trockenes Verfahren


Anlagenkonzept – Emissionsgrenzwerte

Parameter Einheit Beantragte Tagesmittelwerte 17. BImSchV

Tagesmittelwerte Gesamtstaub mg/m3N,tr 5 10

Kohlenmonoxid mg/m3N,tr 50 50

Schwefeldioxid mg/m3N,tr 40 50

Stickstoffmonoxid mg/m3N,tr 150 200

Quecksilber mg/m3N,tr 0,02 0,03

Ammoniak mg/m3N,tr 10 30

Cadmium u.

Thallium mg/m3N,tr 0,05 0,05

Arsen mg/m3N,tr 0,05 0,05

Dioxine u. Furane ng/m3N,tr 0,05 0,10 Neuplanung und Realisierung von Klärschlamm-Monoverbrennungsanlagen / Dipl.-Ing. Jörn Franck / 09.-11.11.2016

Sachstand Genehmigung

14/07 - Erhalt der BImSchG-Genehmigung von SGD

14/09 - Eingang Widersprüche / Widerspruchsbearbeitung

15/03 - Klage beim Verwaltungsgericht Mainz

15/05 - Bekanntgabe der Alternativprüfung

15/07 - Erneuter Stadtratsbeschluss

15/08 - Anordnung Sofortvollzug durch SGD

16/01 - Beschluss OVG – Sofortvollzug

16/06 - Beschluss VG – Klage abgewiesen


Los Nr.

Los / Titel Qualifiziert / Aufgefordert

Angebote Status

1 Schlammentwässerung - - Ausschreibung 1. Hj 2017 2 Brückenkrananlage 4 2 Auswertung, Vergabe IV/16 3 Klärschlammtrocknung 3 3 Auswertung, Vergabe IV/16 4 Feuerung / Kessel 5 4 Auswertung, Vergabe IV/16 5 Abgasreinigung 5 3 Auswertung, Vergabe IV/16 6 Turbogenerator 5 4 Auswertung, Vergabe IV/16 7 Bautechnik - - Ausschreibung 1. Hj 2017 8 E/MSR Technik - - Ausschreibung 1. Hj 2017 9 Technische

Gebäudeausrüstung - - Ausschreibung 1. Hj 2017

Ausschreibungsverfahren


Sachstand Realisierung

16/02 - Ausführungsplanung

16/05 - EU-Teilnahmewettbewerb Maschinentechnik (MT)

16/07 - Ausschreibung der MT (5 Lose)

16/10 - Auswertung der MT (5 Lose)

16/12 - Vergabe MT (5 Lose)

17/01 - Werk- und Montageplanung MT

17/04 - Ausschreibung Bau und E-Technik

17/08 - Vergabe Bau und E-Technik

17/09 - Baubeginn Bau

18/04 - Montagebeginn MT

18/12 - Kalt-Inbetriebnahme

19/03 - geplante Warm-Inbetriebnahme Neuplanung und Realisierung von Klärschlamm-Monoverbrennungsanlagen / Dipl.-Ing. Jörn Franck / 09.-11.11.2016

Einführung






Inhalt

Der Zweckverbrand Klärwerk Steinhäule

Gegründet 1984 11 Verbandsmitglieder Einzugsgebiet von rd.

440.000 Einwohnern Reinigung von 80.000 bis

150.000 m³/Tag Abwasser in der zentralen Kläranlage Steinhäule

Fläche der Kläranlage rund 25 Hektar, 4 Reinigungsstufen

Thermische Entsorgung des Klärschlamms auf der Kläranlage


Die Kläranlage Steinhäule


Bestandsanlage – Thermische Klärschlammbehandlung

2 Linien, IBN 1979 Einsatz von Nicht-gefaultem

Klärschlamm, 96.000 tOS/a, 24.000 tTS/a mit ca. 25 % TS,

Zentrifugen und Dünnschichttrockner

Ofenkapazität 2x 2,5 tTS/h Dampfparameter 40 bar / 400

°C Abgasreinigung

E-Filter 2-Stufige Nasswäsche Flugstromadsorber m.

Gewebefilter


Anlass für Neukonzeption KVA Ulm

Die beiden bestehenden Linien verfügen jeweils über eine Durchsatzleistung von 2,5 tTS/h. Der Klärschlammanfall beläuft sich derzeit im Mittel auf 2,7 tTS/h, weshalb eine Bestandslinie nicht ausreichend ist, um den gesamten Schlamm zu verbrennen.

Die Anlage ist insgesamt mit einem Alter von rd. 40 Jahren sanierungsbedürftig bzw. abgängig

Mit der Neu-Anlage soll ein zukunftsfähiges umwelt- und energieoptimiertes Konzept der thermischen Klärschlammbehandlung umgesetzt werden


Alternativenprüfung

1. Neue Mono-Verbrennung mit Schlammannahme Fremdschlammannahme Eigenschlammentwässerung Trocknung Verbrennung mit Energieverwertung und Rauchgasreinigung

2. Faulung der eigenen Schlämme mit externer Entsorgung Schlammfaulung inkl. Gasverwertung Entwässerung Prozesswasserreinigung (Zentratentstickung) Phosphorrückgewinnung

3. Faulung eigener Schlämme mit Mono-Verbrennung und Schlammannahme: Schlammfaulung inkl. Gasverwertung (BHKW) Schlammentwässerung Prozesswasserreinigung (Zentratentstickung) Klärschlammverbrennung


Rahmenterminplan

Ausschreibung der Planungsleistung Anfang 2015

Vergabe der Planungsleistung Anfang 2016

Abschluss der Vorplanung Ende 2016

Abschluss der Entwurfsplanung Mitte 2017

Abschluss Genehmigungs- und

Ausführungsplanung Mitte 2018

Genehmigungsverfahren Ende 18 – Anfang 19

Baubeginn Anfang 2019

Inbetriebnahme / Übernahme Ende 2021


Einführung






Inhalt

Eine Beendigung der landwirtschaftlichen Klärschlammverwertung

erfordert neue thermische Behandlungskapazitäten.

Erwarteter Kapazitätsbedarf ca. 500.000 – 600.000 tTS/a.

Stationäre Wirbelschicht war und ist das dominierende

großtechnische Verfahren für die thermische Mono-

Klärschlammverbrennung.

Verbrennung ist die priorisierte Vorbehandlung für ein effektives P-

Recycling.

Derzeit befinden sich die 3 Anlagen Rügen, Mainz und Ulm nach

dem Prinzip der stationären Wirbelschicht in der Planungs- bzw.

Realisierungsphase.



Potentielle Anlagenstandorte Monoverbrennung

Bestehende und mögliche Standorte für Mono-Klärschlammverbrennungskapazitäten in Deutschland Quelle: Malms, et al. Ebd, Aachen, 2014

Bundesland Anzahl Anlagen

BW 2

B 1

BB 0

HB-NDS 2

HH-SH 1

H 1

MV 1

NRW 1

RP 1

SL 1

SA 1

SAA 2

T 1

Summe 15

Ø 43 TMgTR/a

Ulm


Die Entsorgungskosten für die Klärschlammbehandlung zeigen eine

steigende Tendenz aufgrund sicher verändernder

Rahmenbedingungen wie – Vermehrte Mengen an Wirtschaftsdüngern (Klärschlamm, Gülle,

Gärrest) treffen auf Einschränkungen bei der Flächenverfügbarkeit in der Landwirtschaft

– Reduzierung der Kapazitäten in der Mitverbrennung bei Kraftwerden und Abfallverbrennungsanlagen

– Die bevorstehende Novelle der AbfKlärV

Erste Erfahrungen bei der Realisierung von neuen Klärschlamm-

Monoverbrennungsanlagen bestätigen den erwarteten

Kostenrahmen.



Verwertungskonzept der Klärschlammkooperation MV GmbH Quelle: 16. Dialog Abfallwirtschaft MV, Rostock 4/2014

Investitionskosten

Verbrennung

Gesamtanlage

Rügen Ulm Mainz


?

?

David trifft Goliath

Weltgrößte Anlage Hong Kong Entwässerter Klärschlamm 4x 45.000 MgTS/a

Klein(st)e kommunale Anlage Entwässerter und getrockneter Klärschlamm 1x 2.000 MgTS/a

http://www.born-ermel.eu/Rügen_Klärschlammverwertung.html

http://www.born-ermel.eu/Rügen_Klärschlammverwertung.htmlhttp://www.born-ermel.eu/Rügen_Klärschlammverwertung.htmlhttp://www.born-ermel.eu/Rügen_Klärschlammverwertung.html

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