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Thermochemischer Aufschluss von Klärschlammaschen -Das Outotec Verfahren

Ludwig Hermann

BMU, Bonn, 09. Oktober 2013

Phosphorrückgewinnung – Aktueller Stand vonTechnologien, Einsatzmöglichkeiten und Kosten


Agenda

Oct. 2013 Phosphorrückgewinnung - Aktueller Stand von Technologien, BMU Bonn2

1. Einführung in Outotec2. Phosphat – Nährstoff oder Schadstoff3. Verfahren, Referenzen, Ergebnisse


Technologieführer seit mehr als 100 Jahren

Year

2010

2006

2001

1990

1970

1950

1900

Listing on the Helsinki Stock Exchange

LAROX

AUSMELT

VPFMILLTEAMEDMESTONAUBURN

BOLIDEN CONTECH

OUTOKUMPU TECHNOLOGY

LURGIMETALLURGIE

OUTOKUMPU

GRINDING MILLS

KHD ALUMINIUMAISCO, SUPAFLO

WENMEC

Phosphorrückgewinnung - Aktueller Stand von Technologien, BMU BonnOct. 2013

ASH DEC

ENERGYPRODUCTSOF IDAHO

3


Outotec in Zahlen (2012)

4

Umsatz EUR 2,087 Mrd., davonEUR 476 Mil. aus dem BereichService18 Kompetenzzentren, Präsenz in26 und Lieferung in 80 LänderÜber 4,800 MitarbeiterUmfangreiches IPR Portfolio• Mehr als 5.700 nationale Patente oder

Patentanmeldungen,630 Patentfamilien und 70 Marken

• F&E Ausgaben EUR 42 Mil.

Marktkapitalisierung ~ EUR 2.0Mrd.Gelistet an der NASDAQ OMXHelsinki

SalesEUR million

Operating profit**

*) Combined basis, **) excl. One-time items and PPA amortizations

Phosphorrückgewinnung - Aktueller Stand von Technologien, BMU BonnOct. 2013


5 Oct. 2013

Technologie & ExpertiseTechnologie & Expertise

Phosphorrückgewinnung - Aktueller Stand von Technologien, BMU Bonn


Der beste ROI mit minimalem Umweltfußabdruck

Unsere nachhaltigen Lösungen garantierenhohe Leistung und Nutzen für die gesamteAnlagenbetriebszeit.

LeistungsgarantienOptimierte ProzesseSchnelle und zuverlässigeInbetriebnahmeHohe RückgewinnungsratenEffizienter Einsatz vonRohstoffen, Energie und WasserNiedrige Anlagebetriebskosten

Oct. 20136 Phosphorrückgewinnung - Aktueller Stand von Technologien, BMU Bonn


Beispiele für Benchmark Technologien

7

Die Hälfte der weltweiten pyro-metallurgischen Kupferproduktionkommt aus Outotec® Flash Smeltern

Ein Drittel der globalen hydro-metallurgischen Kupferproduktionkommt aus Outotec® SX-EWSolvent-Extraktions-Anlagen

Mehr als ein Drittel der weltweitverarbeiteten Schwefelsäure wirdin Outotec Anlagen produziert

Mehr als drei Viertel der globalproduzierten Eisenerzpelletskommen aus Outotec Anlagen


89%of the order

intake,Environmental

Goods andServices,

OECD


Technologien für die Phosphatindustrie

Mining Solutions• Technologien zur Aufbereitung von Erzen

einschließlich Trennungs-, Flotations- undZerkleinerungsverfahren.

Abwasserbehandlung• In Minen und in der Aufbereitung von Mineralen

Schwefelsäureanlagen• Die größten Schwefelsäureanlagen der

Welt wurden von Outotec geliefert.• Höchste Effizienz bei der Erzeugung von

elektrischer Energie und DampfKalzinieranlagen• Kalzinieranlagen mit mehrfach Energie-

Rückgewinnungsstufen für Erze mitStörstoffen und Cadmium-Entfrachtung.

Services• Z.B. Vanadium Katalysator-Screening



Statt entweder Energie oder NährstoffeStatt entweder Energie oder Nährstoffe

Outotec löst das Biomasse-Abfall Dilemma

Oct. 2013

Gewinnung von Energie und Nährstoffen

Phosphorrückgewinnung - Aktueller Stand von Technologien, BMU Bonn9


Agenda


1. Einführung in Outotec2. Phosphat – Nährstoff und Schadstoff3. Verfahren, Referenzen, Ergebnisse


Phosphor


= Essentieller, unersetzbarer Stoff für das Leben.Ohne Phosphor gibt es keine Nahrungsmittel!

Quelle: Kabbe, C., 2012


Em

issi

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Pea

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Ore

grad

e

Ore grades are declining. More ore needs to be processed with moreadvanced technology order to produce the same amount of metal.

Making metals requires a lot of energy. More energy-efficientprocesses are needed.

Water quality and quantity are becoming critical issues. Advancedsolutions for water treatment are needed.

Peak oil is approaching. Oil will run out by 2050 with current productionrates and we need alternative energy sources.

Mining and metallurgical industries are major emitters of CO2 and otherecotoxic substances. Cleaner solutions need to be developed.

Phosphorus shortages may affect our food and feed production in thefuture. The phosphate cycle must be closed.

Pho

spho

rus

Oct. 2013

Globale Megatrends mit Auswirkungen aufAbbau, Verarbeitung und Anwendung vonPhosphaten

Höherer Fleischkonsum erfordertmehr Fläche pro

Nahrungsmittelkalorie

ANDERE ESSGEWOHNHEITEN

12

Phosphor ist essentiell für die globaleErnährung. Schlechtere Erzqualitäten

erfordern neue Lösungen

BEGRENZTHEIT NATÜRLICHERRESSOURCEN

Weniger Anbaufläche pro Kopferfordert höhere Erträge pro

Hektar

URBANISATION

Bedarf an höherer undeffizienterer Produktion von

Nahrungsmitteln

BEVÖLKERUNGSWACHSTUM

ERNEUERBARE ENERGIEN

Biomasse als Energieträger brauchtgeschlossene Nährstoffkreisläufe

und Bodenschutz

www.outotec.comPhosphorrückgewinnung - Aktueller Stand von Technologien, BMU Bonn12


Leitgrundsätze

Einen Beitrag zu leisten, dass die noch verfügbarenPhosphatreserven geschont werden und Phosphor nicht inGewässer eingetragen wird.

Einen Beitrag zu leisten, dass Mineralstoffe und Metalle nicht soverdünnt werden, dass sie in Zukunft weder lokalisiert, nochzurückgewonnen werden können (z.B. Phosphor in Baustoffen).

Die Bedürfnisse der gegenwärtigen Bevölkerung zu befriedigenohne zukünftige Generationen daran zu hindern, ihre eigenenBedürfnisse zu befriedigen.*) Für die Herstellung von Düngernverstehen wir darunter: keine Anreicherung von Schadstoffen imBoden, auch wenn keine unmittelbare Gefährdung von ihnenausgeht.

*) Definition von Nachhaltigkeit nach dem Brundtland-Report.



Phosphatströme in Böden in EU28 Mitgliedstaaten


P2O5 Eintrag in Europäische Böden:

1. Stallabfälle 5-5.5 Millionen Tonnen

2. Rohphosphat 2.5-3 Millionen Tonnen

3. Klärschlamm*) 0.3 Millionen Tonnen

*) Nur der landwirtschaftliche genutzte Anteil


Vorherrschendes Phosphatrecycling in Europa -

- kann in Gebieten mit Intensiv-Tierzucht zumechten Problem werden!



Stallabfälle – Dünger oder Umweltproblem


Das Paradoxon: gerade die Bundesländer mit derhöchsten Tierdichte wollen auch noch den Klärschlammdirekt ausbringen

Hohe N- und P-Überschüssein Gebieten mit hoherTierdichte müssenzurückgefahren werden.Es braucht technischeVerfahren zur Verarbeitungund Verteilung vonStallabfällen – in die Gebietemit Phosphormangel!Hier gibt es ein beträchtlichesPotential für neue Dünger ausAbfallbiomasse!

Lars Stouman Jensen, 2012


Ihr Traumstrand könnte so aussehen!


Algenplage in der Bretagne


Schlüssel gegen Überdüngung ist P-Konzentration!


Wenn Sie zu viele phosphatreiche Abfälle haben und zuwenig Ackerland – denken Sie an Verbrennung!

=Konzentration

1,5 t P2O5 1,5 t P2O5

Gasifizierung

Verbrennung

Entwässerter Schlamm Asche



Verfahren

Ergebnisse

Referenzen

Source: Stucki, 2009


Klärschlamm10´000´000 t TS750´000 t P2O5

Stallabfälle140´000´000 t TS5´000´000 t P2O5

Schlachtabfälle(cat. 1)

7´000´000 t TS450´000 t P2O5

I.AnaerobeVergärung

Biogas

II.Ent-

wässerung

III.Trocknung

IV.Vergasung

Verbrennung

V.P-Dünger

oderHalbprodukt

N + NK Dünger

ProduktgasStromDampf

Sicherer undsauberer

P/PK Dünger

Metallver-bindungen

ASH DECProzess

Notwendige Prozessschritte um Asche als einPhosphatkonzentrat zu gewinnen, das transportiertund kostengünstig weiterverarbeitet werden kann

7-15%TS

25-30%TS

45-95%TS

Potentieller technischer erneuerbarer Energieertrag ausStallabfällen in den EU28 Mitgliedstaaten: 583TWh(2´100´000TJ) >3% des Gesamtenergieverbrauchs

Verfahren zur Energie- und Nährstoffrückgewinnung

Relevante sekundäre P-Flüsse in den EU28



Trocknung im geschlossenen Dampfkreislauf


Entwicklungsprojekt DEBUGGER:Schlamm- /Gülletrockner mit<400 kWh /t H2O Energieeinsatz



Hintergrund der Schlammverbrennung bei Outotec

22

Frankfurt / DEDordrecht / NLLondon / UKBelfast 1 / UK

Stuttgart / DESt. Petersburg / RFBelfast 2 / UKManchester 2 / UKKopenhagen / DK

Lugano / CHBrabant / NLManchester 1 / UKElverlingsen / DE

Thyssen

Periode

Outotec

Lurgi

BAMAG

1980-

2001

2010

2002-

2009Referenzenfür Schlamm

Schlüsselkräfte

WirbelschichtTechnologie

BAMAG WTE

Narva / EstlandHarmuth / DEBrabant (Redesign) / NLSt. Petersburg (Study) / RFModern / TR

Umwelt OilGas

Metall-lurgie

Water Incine-ration

Air Liquide

BAMAGInt.

2011


Aktuelle Schlammverbrennung am Beispiel Zürich


Die Mono-SVAZürich verwertetenergetisch100‘000 t Klär-schlamm desKantons Zürich.Liefert pro Jahr7000 MWh Stromund 35‘500 MWhFernwärme insNetzP-Recycling mithoher Effizienznachrüstbar.


Entwässerte Schweinegülle (28% Trockensubstanz)

Oct. 2013

Heizwert (95% TS) 16 MJ/kg140 Mill. Tonnen = können technisch2100 PJ / 50 Mtoe Energie generieren

>3% des EU28 Energiekonsums



Rindergülle Verbrennung – Anlage Hereford (Tx)


Die Multi-Brennstoff Outotec Energy Product Anlage ist fürdie Verwertung von 420.000 Jahrestonnen Rindergülle alsEnergieträger für die Bioethanol Erzeugung ausgelegt.


Tierische Nebenprodukte - Energie+ Nährstoffquelle

In EU28 Schlachthöfen fallen jährlich mehr als 20Millionen Tonnen tierische Nebenprodukte an.Rund 7 Millionen Tonnen der Kat. 1 müssen alspotentiell BSE verseuchtes Material verbrannt werdenEin Abfallstrom mit 15-31 MJ/kg Heizwert1) und 30-32%P2O5 in der Asche, nahezu frei von Stör- undSchadstoffen2)

= Die beste ENERGIE & NÄHRSTOFF Quelle, derenNährstoffe zurzeit überhaupt nicht genutzt werden


1) Vandecasteele C. et al., 20112) Kley G., 2004


Schlachtabfallverbrennung, Anlage High River (AB)


Cargill MeatSolutions, HighRiver, Alberta,Canada

Verbrennung von 200‘000 Jahrestonnen Schlachtabfälle,Erzeugung von 400°C, 45 bar überhitztem Dampf


RDF Vergasung, Anlage Cemex Rüdersdorf

AuslegungsdatenThermische Leistung: 100MW

Brennstoff: Kohlenstoffhaltige Aschen, Sekundärbrennstoffe, Biomasse

Produktgas: 60000Nm³/h, 3-5.3MJ/Nm³, 860-920°C

Asche: <1% Kohlenstoff

CFB gasifier



Asche von Biomasse vs. Rohphosphatkonzentrat


1) Kley, G., 2004 2) http://www.biodat.eu/



1) Kley, G., 2004 2) http://www.biodat.eu/

Asche von Biomasse vs. Rohphosphatkonzentrat


Wirkungsprinzip des thermochemischen Prozesses

31 Phosphorrückgewinnung - Aktueller Stand von Technologien, BMU BonnOct. 2013

• Thermische Behandlung der Asche mit reaktiven (Na-/K-)Alkaliverbindungen

• Entfrachtung der Schadstoffe (As, Cd, Pb) unterreduzierenden Bedingungen


Das modifizierte Rhenania (Outotec) Verfahren


Verfahren:Cl-Recycling entfälltAlkali-Additive weniger korrosivRohphosphat zur Einstellung eines konstanten P-GehaltsKapitalkosten rund 20% unter den CAPEX für das klassische (mit MgCl2)AshDec® Verfahren

Produkt:Glühphosphat (Rhenaniaphosphat) mit langjähriger Tradition (1920 bis 1982)EG-Dünger (als NP-PK-NPK) und hoch löslich in AmmoncitratGute Wirkung auf sauren und auf alkalischen Böden

Nachteil:Keine Entfrachtung von Kupfer und weniger effektiv bei Blei und Zink


Betrieb einer semi-industriellen Pilotanlage

Kontinuierliche Behandlung von 300kg/h Klärschlammasche über 2 Jahre.Produktion von NPK Düngern mitPhosphaten aus Klärschlammasche,12 t/h, LONZA AG, Visp (CH)

33 Phosphorrückgewinnung - Aktueller Stand von Technologien, BMU BonnOct. 2013

Düngerproduktion im Industriemaßstab


Oct. 2013

Ash silo

Ash Feed

Heiße Asche zum Reaktor

ZWAschenerhitzer

Aschensilo

Additive zum Reaktor

Halbprodukt

Prozessgas zumKühler und Filter

Hot ash to reactor

Verbrennungsgas zur Abgasreinigung

Hauptkomponenten des Verfahrens

Fuel

1.000°C

ZW Wirbelschicht als Aschenerhitzer(ZW Schlammverbrennung)Drehrohr als Reaktor

Trockene Rauchgasreinigung(nicht abgebildet)



Fließbild – Schlammverbrennung + ASH DEC



HSC Chemistry Simulation der chem. Reaktionen


kmol


Aspen Plus Simulation des Verfahrens



Ergebnisse mit Bezug auf 13.800 t/a AscheEnergieverbrauch gesamt 400-850 kWh/t AscheTurnkey Anlage CAPEX 15-20 MEURProduktionskosten 900-1.200 €/t P2O5

Bestätigung:Konzeptstudien auf Anfrage von InteressentenTestproduktion von rund 5 Tonnen Produkt im Rahmenvon P-REX



Ist P-Recycling / Outotec Verfahren nachhaltig?


• Mehrere P-Recycling Verfahren stehen vor der industriellenUmsetzung

• Die technische und wirtschaftliche Machbarkeit, sowie dieDüngereffizienz wurden bewertet

• Der Umweltfußabdruck ist immer noch Gegenstand vonSpekulationen

– zum Beispiel wurde der ASH DEC Prozess für den vermeintlichhohen Energieverbrauch und die CO2 Emissionen kritisiert

So wurden zwei P-Recyclingverfahren im Vergleich mit einemkonventionellen Dünger – Single Superphosphate – bewertet:

– Ein thermochemisches Verfahren (ASH DEC Prozess)– Ein nasschemisches Verfahren (sauer behandelte Asche)


Stoffe und Verfahren – Single Superphosphate


1. Phosphatabbau bis zum Single Superphosphat (SSP)• SSP enthält:

• 20% P2O5

• Alle Stör- und Schadstoffe des Rohphosphats• Wasserlösliche Monocalcium Phosphate als Reaktionsprodukte der

sauren Behandlung von Rohphosphat mit konzentrierter H2SO4

• Systemgrenzen:• Tagbau• Aufbereitung zum Rohphosphatkonzentrat• Produktion von Schwefelsäure – Gewinnung des Schwefels aus der

Entschwefelung von fossilen Brennstoffen• Chemische Reaktion und Granulation

Source: Jenssen and Kongshaug, 2003


Stoffe und Verfahren – sauer behandelte Asche


2. Klärschlamm zu sauer (H2SO4) behandelter Asche (ASA)• ASA enthält

• 11% P2O5 (aus 20% P2O5 in der Asche)• Alle Schadstoffe aus der Asche werden ins Produkt überführt;

zusätzlich werden die Schadstoffe löslich und können vonPflanzen aufgenommen werden.

• Wasserlösliche Monocalcium Phosphate, Al-Phosphate undFe-Phosphate; wenn der Fe-Gehalt in der Asche hoch ist (beiFe-Fällung in der Kläranlage) bleibt die Löslichkeit der Produkteeingeschränkt und die Produkte bleiben feucht und klebrig

• Systemgrenzen• Monoverbrennung von kommunalem Klärschlamm• Produktion von Schwefelsäure – Gewinnung des Schwefels aus

der Entschwefelung von fossilen Brennstoffen• Chemische Reaktion und Granulation Source: Petzet, 2012


Stoffe und Verfahren – Glühphosphat (ASH DEC)


3. Klärschlamm zu Glühphosphat• Glühphosphat enthält

• 15% P2O5 (aus 20% P2O5 in der Asche)• Ein Teil der Schadstoffe aus der Klärschlammasche nachdem Cd

weitgehend, sowie As, Pb und Zn im Verfahren teilweise entferntwerden

• Ammoniumcitrat lösliche Calcium-Natrium-Phosphate

• Systemgrenzen:• Monoschlammverbrennung• Thermische Behandlung mit

Alkali (Natrium) Additiven;vorzugsweise direkt verbundenmit der Schlammverbrennung

• Granulation


Beispiel für Stoff- und Energieflüsse


Input Streams Unit Reference valueSewage sludge as delivered, 100% dry matter t/t P2O5 10,28Sodium hydro-carbonate NaHCO3 as sorbent t/t P2O5 0,91Ammonia NH4OH 25% for NOx abatement t/t P2O5 0,10Calcium hydrate Ca(OH)2 as sorbent t/t P2O5 0,18Coke (furnace coke) as sorbent t/t P2O5 0,004Sand as bed material t/t P2O5 0,007Sodium sulphite Na2SO3 as reactant t/t P2O5 1,18Dry sludge (waste from third parties) as reducing agent t/t P2O5 0,65Water as boiler feed and cooling water t/t P2O5 4,58Natural gas as fuel t/t P2O5 0,16Natural gas as fuel GJ/t P2O5 7,17Electricity consumed (>85% from own generation) GJ/t P2O5 9,75Output Streams Unit Reference valueCalcined fertiliser t/t P2O5 6,70Waste t/t P2O5 0,12EnergyElectricity - energy delivered GJ/t P2O5 8,63Steam/heat - energy delivered GJ/t P2O5 43,80Flue gas

CO2 (>75% from organic part of sewage sludge) t/t P2O5 10,13CO (max. amount) t/t P2O5 0,003NOx (max. amount) t/t P2O5 0,004


Energiebilanz im Vergleich


7,14

22,72

16,78

5,25

61,16

55,46

0

10

20

30

40

50

60

70

Single superphosphate Acidulated sludge ash Calcined phosphate

GJ/

tP2O

5

Cumulated energy balance

Energy Consumption Energy Generation


Schadstoffkonzentrationen im Vergleich



Versuchsweiser ASH DEC Fußabdruck in GaBiCO2 aus organischen, erneuerbaren Brennstoffen nicht berücksichtigt



Versuchsweiser ASH DEC Fußabdruck in GaBiCO2 aus organischen, erneuerbaren Brennstoffen als Emission bewertet



Mängel der Datenbank


Gleiche Bewertung von fossilem CO2 und CO2 ausdem Klärschlamm• Der größte Teil des Energieverbrauchs wird aus der

Schlammverbrennung gedecktGleiche Bewertung von gezielt hergestelltenStoffen und Nebenprodukten• Ein relevanter Teil der Additive fällt als Nebenprodukt

von Prozessen mit anderen Zielprodukten anEine weitere Entwicklung der Datenbank isterforderlich, um den realen Umweltfußabdruck zuermitteln


Schlussfolgerungen


Der Vergleich der direkten Massen- und Energiebilanzähnlicher Produkte bestätigt• Keiner der Prozesse erfordert relevante Mengen fossiler Energie

wegen der Energiegutschrift aus der Schwefelverbrennung(SSP/ASA) und aus der Klärschlammverbrennung (vorausgesetztder Schwefel und der Schlamm werden in BAT Verbrennungs-anlagen verbrannt).

• Recycling Phosphate zeigen einen deutlich geringeren Gehalt vonCadmium und Uran, einen vergleichbaren Gehalt von Arsen undeinen höheren Gehalt von Blei.

• Der Eintrag der Daten in die GaBi Datenbank ergibt nicht denwirklichen Umweltfußabdruck – eine bessere Differenzierung derHintergrunddaten ist erforderlich

Der thermochemische Prozess ist reif für den industriellenEinsatz.Negative Umweltfolgen sind nicht zu befürchten.



Danke!

[email protected]@outotec.comwww.outotec.com Source: The Guardian

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