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

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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: info@dbfz.dewww.dbfz.de

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Ansprechpartner

Dr.-Ing. Marco KlemmTel.: +49 (0)341 2434 537E-Mail: marco.klemm@dbfz.de