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Hydrothermale Carbonisierung (HTC) als Möglichkeit zur Klärschlammnutzung und PhosphorrückgewinnungMarco Klemm; DBFZ
Ausgangssituation
2
• Wichtige Stoffströme, vor allem biogene Reststoffe, bedingen bei den etablierten Wegen der thermischen Umwandlung (Verbrennung, Vergasung, Pyrolyse) einen problematisch hohen Trocknungsaufwand:
• Klärschlamm,
• biogene Siedlungsabfälle (Biotonne),
• Grünabfall (Gras/Laub),
• gartenbauliche und landwirtschaftliche Reststoffe,
• Reste aus der Lebensmittelindustrie,
• Reststoffe der Bioökonomie.
• Sind derartige Ausgangsstoffe dazu auch nicht zufriedenstellend vergärbar, besteht Bedarf an einer Verfahrensalternative.
Hydrothermale Prozesse (HTP) als Verfahrensalternative
3
• Durchführung in heißem Wasser,
• Nutzung von wasserreicher Biomasse ohne Trocknung,
• Prozesse zur Umsetzung organischer Stoffe mit breiter Anwendung,
• Wasser ermöglicht spezielle Reaktionen,
• Wasser ist Reaktionspartner, Katalysator, Lösemittel, Transportmedium, Wärmeträger, Abschluss gegen die Umgebung,
• breites Spektrum an Ausgangsstoffen,
• feste, flüssige oder gasförmige Produkte je nach Parametern,
• vielfältige Produktanwendungen.
Hydrothermale Carbonisierung (HTC)
4
Thermochemischer Konversionsprozess in heißem Hochdruckwasser:• 180 – 250 ºC• 10 – 40 bar• mehrere Stunden
• Biogene Abfallstoffe aus
• Kommunen
• Industrie
• Landwirtschaft
• Klärschlamm
HTC
• Hauptprodukt: fest, HTC-Karbonisat
• Nebenprodukte: flüssig; gasförmig
Foto: DBFZFoto: DBFZ
HTC - Gesamtprozesskette
5
HTC - Experimentelle Ergebnisse
6
50 52 52 52 62 62 62 69
6 6 6 66 6 6
543 40 40 40
30 30 29 24
0102030405060708090
100
Elem
enta
rzus
amm
ense
tzun
g (w
af) i
n M
a%
OSNHC
[1] Kaltschmitt, M. et al.: Energie aus Biomasse (2009)
200°C, 4hLPM = Landschaftspflegematerial
HTC – Experimentelle Ergebnisse
7
50 52 5968 69
6 67
6 543 40 32
23 24
0102030405060708090
100
Holz(Fichte)
[1]
Bioabfall HTC.180 °C
.2 h
HTC.220 °C
.6 h
Braun-kohle
[1]
Elem
enta
rzus
amm
ense
tzun
g (w
af)
in M
a%
OSNHC
[1] Kaltschmitt, M. et al.: Energie aus Biomasse (2009)
Gegenüberstellung Brennstoffeigenschaften
8
Asche Ma-% wf
Flüchtige Ma-% wf
S Ma-% wf
P Ma-% wf
Hu MJ/kg
HTC (Grünschnitt) 27 49 0,13 0,17 16,7
HTC (Klärschlamm) 52 44 0,9 4,69 12,6
Mitteltemperatur-pyrolyse, (Stroh)
17 < 10 25
Einblaskohlen
(Metallurgie)
< 10 < 38 < 1 < 0,02 > 30
Anthrazit
(Lichtbogen)
< 10 < 10 < 1 < 0,05
Braunkohlenstaub
(Zementindustrie)
4 46 0,35 0,0017 22
Quicker, P.; Schulten, M.: Biokohle: Erzeugung und technische Einsatzmöglichkeiten. (2012) Quicker, P.: Thermochemische Verfahren zur Erzeugung von Biokohle. (2013)
Gegenüberstellung Brennstoffeigenschaften
9
Asche Ma-% wf
S Ma-% wf
NMa-% wf
Cl Ma-% wf
Hu MJ/kg
HTC (Grünschnitt) 27 0,13 1,1 0,04 16,7
HTC (Bioabfall) 17 0,2 1,8 0,08 19,4
HTC (Gärrest, Garage, Bioabfall)
22 0,3 1,6 0,18 18,1
DIN EN 14961-6
(Feste biogene Brennstoffe)
≤ 10 ≤ 0,2 ≤ 2 ≤ 0,3 ≥ 13,2
Braunkohlebriketts (Verkaufsspezi-fikation)
4,2 0,3 0,74 0,027 24,9
DIN EN 14961-6:2012-04 Schön, C.; Hartmann, H.: Charakterisierung von Holzbriketts (2011)
Brennstoffeigenschaften
10
Van-Krevelen-Diagramm auf Basis von Belusa, T. et. al: Hydrothermale Karbonisierung und energetische Nutzung von Biomasse. In: Gülzower Fachgespräche: Hydrothermale Carbonisierung (2010)
Holz (Fichte)
Bioabfall
HTC 180 °C 2 h
HTC 220 °C 6 h
Braunkohle
Messwerte DBFZ
□ Pyrolysekoks (Bsp.)□
Energiebilanz Klärschlammtrocknung
11
Energiebilanz Klärschlamm HTC
12
Senkung des Verbrauchs thermischer Energie um ca. 80%!
Anwendungsmöglichkeiten HTC-Kohle
13
• Energetische Nutzung,
• Monoverbrennung,
• Mitverbrennung,
• Vergasung,
• Nutzung als Bodenhilfsstoff (bei entsprechenden Edukten),
• Kohlenstoffträger für industrielle Anwendungen,
• Metallurgie,
• Prozesskohlenstoff,
• Aktivkohle,
• ….
Vorteile HTC
14
• Gut mechanisch entwässerbares Produkt (bis > 70 % TS, Klärschlamm 20 bis 30 % TS),
• deutliche Verbesserung der Energieeffizienz durch geringeren Trocknungswärmebedarf,
• nur ein Hauptprodukt,
• überschaubarer technischer Aufwand,
• vereinheitlichtes, lagerstabiles, hygenisiertes Produkt,
• verbesserte Verbrennungs- und Vergasungseigenschaften,
• damit Kohleanwendung auch außerhalb der Großkraftwerke,
• perspektivisch Phosphorrückgewinnung und Schadstoffentfrachtung,
• kleine Anlagen wirtschaftlich realisierbar (ab 300 - 500 t/a Kohle aus Klärschlamm).
Phosphorrückgewinnung
15
Varianten der Phosphorrückgewinnung bei der HTC:
• Nutzung phosphorreicher Kohle,
• Extraktion mit Säuren aus der Kohle nach der HTC (verschiedene Hersteller),
• Extraktion während der HTC, ohne Mineralsäuren (DBFZ, in Entwicklung),
• weitere Ansätze der Extraktion denkbar,
Ausgangssituation
Klärschlamm37,1 gP/kg
Hydrothermale Carbonisierung200°C, 16bar, 4h
HTC Kohle49,4 gP/kg
HTC Wasser0,11 gP/l
HTC Prozesswasser
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• Wird häufig als Problem der HTC diskutiert …
• Prozesswasser enthält gelöste Organik als Nebenprodukt des HTC-Prozesses,
• effiziente Nutzbarkeit im Biogasprozess ist nachgewiesen [Wirth 2016 u.a.,]
• Untersuchungen zur Übertragbarkeit dieser Erkenntnisse auf Klärschlammfaulung laufen,
• Feinreinigung ist in der Biologie kommunaler Kläranlagen möglich,
• kann in Zukunft Quelle für organische Chemikalien sein (Furanderivate, Carbonsäuren, …).
Mögliche Rolle der HTC in der Klärschlammnutzung
• Energieoptimierte Trocknung,
• Phosphorrecycling,
• Stickstoffrecycling,
• Schadstoffentfrachtung z.B. Schwermetalle,
• Mineralikabscheidung,
• Kohleproduktion für verschiedene Anwendungen,
• perspektivisch weitere Produkte wie Chemikalien,
• dezentrale Lösung für mittlere Kläranlagen (Größenklasse 4).
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DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrumgemeinnützige GmbH
Torgauer Straße 116D-04347 LeipzigTel.: +49 (0)341 2434 – 112E-Mail: [email protected]
Hydrothermale Prozesse – Gestalten Sie mit!Innovation durch Kooperation.
Ansprechpartner
Dr.-Ing. Marco KlemmTel.: +49 (0)341 2434 537E-Mail: [email protected]