ProKläR-mission: Prozessoptimierung an Klärschlammfeuerungen zur Rohstoffrückgewinnung und Emissionsreduktion

 

Im Projekt ProKläR-mission werden prozessseitige Maßnahmen zur Reduzierung von Lachgasemissionen stationärer Wirbelschichtfeuerungen zur thermischen Klärschlammverwertung erforscht. Gleichzeitig soll die Aschequalität mit dem Ziel der Phosphorrückgewinnung optimiert werden. Eine Erhöhung der Wirbelschichttemperatur ist dafür unerlässlich. Um dies zu realisieren, soll ein online Agglomerationswächter erforscht und erprobt werden, um den Fluidisierungszustand zuverlässig überwachen und dadurch höhere Temperaturen in der Wirbelschicht realisieren zu können. Versuche an zwei Laboranlagen – einer Wirbelschichtfeuerung (45 kW_th) sowie einer Wirbelfeuerung (100 kW_th) – dienen erstens als Proof of Concept des Agglomerationswächters und zeigen zweitens den Einfluss von Temperaturerhöhungen und Additiveinsatz auf Lachgasemissionen und Aschequalität. Final werden die in den Laboranlagen ermittelten optimalen Betriebsparameter und Additive sowie der Agglomerationswächter in drei großtechnischen Industrieanlagen im Praxiseinsatz erprobt.

Klassischerweise werden Wirbelschichtfeuerungen zur Klärschlammverbrennung am unteren Ende des möglichen Temperaturbereichs < 850-950 °C betrieben. Dadurch werden einerseits geringe NO_X-Emissionen erreicht. Andererseits wird dem Kernproblem beim Betrieb dieser Feuerungen mit biogenen Brennstoffen – dem Aufschmelzen und Verkleben von Aschepartikeln und der Bildung von Agglomerationen des Bettmaterials – entgegengewirkt. Allerdings werden durch die niedrigen Verbrennungstemperaturen gleichzeitig höhere Lachgasemissionen (N₂O) begünstigt. N₂O ist ein hochpotentes Treibhausgas mit einer 265-fach höheren Klimawirksamkeit als CO₂, dessen Vermeidung bzw. Minderung aus Klimaschutzgründen somit geboten ist. Durch die Bedeutung der Wirbelschichtverbrennung als dominierendem Behandlungspfad bei der Klärschlammverwertung verspricht der untersuchte technologische Ansatz bei erfolgreicher Umsetzung ein großes ökologisches Potential. Zusätzlich stellt er ein einfach, kostengünstig und modular nachrüstbares Werkzeug dar, welches kurzfristig am Markt verfügbar sein kann.

Bei der Bearbeitung des Projekts übernimmt das TEER die Untersuchungen zur Prozessoptimierung, einerseits hinsichtlich der Minderung von Lachgas und andererseits zur Verbesserung der Aschequalität für ein nachfolgendes Phosphor-Recycling. Am TEER erfolgen experimentelle Untersuchungen der Agglomerationstemperatur und -geschwindigkeit unterschiedlicher Klärschlammaschen sowie des Einflusses verschiedener Additive. Aufbauend auf den gewonnenen Erkenntnissen über mögliche Temperaturbereiche bis zur Defluidisierung werden die Verbrennungscharakteristik, der Einfluss variierender Prozessbedingungen auf N₂O- und NO_X-Emissionen sowie die resultierende Aschezusammensetzung analysiert. Neben variierenden Temperaturen wird der Einsatz unterschiedlicher Additivtypen und -mengen im Verbrennungsprozess betrachtet. Die im Technikumsmaßstab gewonnenen Erkenntnisse werden anschließend in drei großtechnischen Industrieanlagen weiter erprobt und messtechnisch begleitet.

Die Bearbeitung des Projekts erfolgt ab dem 1. Januar 2023 in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Energieverfahrenstechnik der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und der Firma Küttner GmbH & Co. KG. Assoziierte Partner des Projekts sind der Eigenbetrieb Stadtentwässerung Stuttgart, die Thermische Verwertung Mainz GmbH und die Gemeinschaftsklärwerk Bitterfeld-Wolfen GmbH. Das Projekt wird unter dem Förderkennzeichen 03EI5460B vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz im Rahmen des 7. Energieforschungsprogramms für 3 Jahre gefördert.