Die Erfindung betrifft Brennstoffgranulate aus Klärschlamm, insbesondere für Wirbelschichtfeuerungen. Sie betrifft weiterhin Verfahren zur Herstellung solcher Granulate.

Brennstoffgranulate aus Klärschlamm sind aus der Druck¬ schrift "Granulat für die Verbrennung", Entsorga-Magazin - Entsorgungswirtschaft, September 1990, Seiten 60 bis 62, bekannt geworden. Diese Brennstoffgranulate bestehen aus mechanisch vorentwässertem Klärschlamm, der in einem Zwangsmischer mit einem nicht näher bezeichneten Trockengut innig vermischt und dabei praktisch granuliert wird. Die erzeugte Mischung erfolgt dabei so, daß die Trockensubstanz oberhalb der Klebephase von ca. 50 % Trockensubstanz (TS) liegt, um dann störungsfrei in einem speziellen Scheiben¬ trockner getrocknet zu werden. Das Produkt kann selbst¬ gängig, z. B. in einem Wirbelschichtofen, verbrannt werden. Über Zusammensetzung und Eigenschaften der Trockengranulate

wird nicht näher berichtet. Nachteilig ist, daß zur Er¬ zeugung der Granulate eine thermische Trocknung erforder¬ lich ist, nicht brennbares Trockengut den Heizwert ver¬ ringert und bei teilgetrockneten Granulaten der Heizwert durch die Wasserverdampfung des Restwassers verschlechtert wird.

Aus der Druckschrift "Klärschlamm in der Bundesrepublik", Abwassertechnik, Heft 2, 1990, Seiten 71 bis 74, sind de¬ poniefähige Granulate aus Klärschlamm bekannt, die zur Er¬ höhung des TS-Gehaltes mit Konditionierungsmitteln, z. B. Kalk, versetzt werden. Durch die Granulatform soll die Handhabbarkeit und die Lagerfähigkeit verbessert werden und eine Minimierung der Deponiekosten ermöglicht werden. Da durch die Verwendung von Kalk als Konditionierungsmittel bzw. Trocknungsmittel größere Kalkmengen erforderlich sind, sind diese Granulate jedoch für eine Verbrennung wegen des verringerten Heizwertes weniger gut geeignet.

Aus "Recycling von Klärschlamm" / Ulrich Loll, Berlin, EF- Verlag für Energie- und Umwelttechnik GmbH, Band 2, 1989, sind weitere Verfahren zur Herstellung von Brennstoffgra¬ nulaten bekannt:

Bei der ESCHER-WYSS Schlammtrocknung (unter 5.1.2., Seiten 32, 33) wird der Schlamm unter teilweisem Einsatz von be¬ reits getrocknetem Material und im Trockner abgeschiedenen Staub in einem Mischer granuliert und das Feuchtgranulat über eine DosierSchnecke und eine Zellradschleuse einem Fließbetttrockner zugeführt. Die Trocknung erfolgt durch thermische Energie, die teils direkt über Wasserdampf-

brüden, teils indirekt durch Sattdampf oder Thermoöl in den Fließbetttrockner eingeführt wird. Nachteilig ist der große maschinelle und energetische Aufwand zur Granulattrocknung bis zu 98 % TS.

Bei der TCW Schlammtrocknung (unter 5.1.6., Seiten 39 bis 41) wird maschinell entwässerter Schlamm mit bereits ge¬ trocknetem Material vermischt, mit einem Förderband in den inneren Zylinder eines aus drei konzentrischen Zylindern bestehenden Trommeltrockners gefördert und dort von einem mit hoher Geschwindigkeit eintretenden Heißgasstrom (400 - 500 °C) durch die drei Zylinder transportiert und ge¬ trocknet. Von dem erzeugten granulatförmigen Trockengut wird das Granulat 2 bis 4 mm aus dem System abgezogen. Das übrige Material wird in einer Mühle zerkleinert und in das System zurückgeführt. Auch bei diesem Verfahren ist ein sehr hoher maschineller und energetischer Aufwand zur Her¬ stellung der Granulate erforderlich.

Aus Umweltmagazin, Mai 1990, Seiten 50, 51, ist ein Ver¬ fahren zur Verbrennung von Klärschlamm bekannt, bei dem der Frischschlamm mit Kalkhydrat oder Karbidschlamm konditio- niert wird sowie organische Flockungsmittel und Eisen(III-) Chlorid zugegeben werden. Die weitere Entwässerung erfolgt mittels Kammerfilterpressen. Anstelle von Kalkhydrat oder Karbidschlamm kann auch Elektrofilterstaub zur Konditio- nierung verwendet werden, der freies, unverbrauchtes Kal¬ ziumhydroxid enthält. Eine Herstellung von Brennstoff- granulaten erfolgt bei diesem Verfahren jedoch nicht. Als

nachteilig bei der Verwendung von Elektrofilterstaub werden die darin enthaltenen Schwermetalle angesehen, die eine Sondermüllentsorgung bedingen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, un¬ ter Vermeidung der Nachteile der bekannten Verfahren Brennstoffgranulate aus Klärschlämmen vorzuschlagen, die hinsichtlich ihrer Zusammensetzung und ihrer Eigenschaften optimiert sind und die ohne einen hohen maschinellen und energetischen Aufwand hergestellt werden können und die sich insbesondere für die Verbrennung in der Wirbelschicht eignen.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden Brennstoffgranulate vor¬ geschlagen, deren Zusammensetzung und Eigenschaften in den Ansprüchen 1 bis 3 niedergelegt sind.

Eine Weiterbildung der Brennstoffgranulate ist in Unter¬ anspruch 4 enthalten.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird hinsichtlich vorteil¬ hafter Herstellungsverfahren der Brennstoffgranulate durch die Merkmale der Ansprüche 5 bis 10 gelöst.

Die erfindungsgemäßen Brennstoffgranulate aus Klärschlämmen stellen überraschenderweise Brennstoffe dar, die sich durch eine vorzügliche Handhabbarkeit auszeichnen, da sie kaum Staub enthalten oder beim Handhaben freisetzen. Wegen ihrer durch die rundliche Kornform bedingten Rieselfähig-

keit sind sie optimal für Lagerung, Transport und Brenn¬ stoffdosierung geeignet. Ihre Verbrennung ist umwelt¬ freundlich sowohl hinsichtlich der anfallenden Rauchgase als auch der anfallenden festen Rückstände.

Die erfindungsgemäßen Brennstoffgranulate aus Klärschlämmen können in Wirbelschichtfeuerungen ohne zusätzliche Träger¬ stoffe und ohne Zusatzbrennstoffe verwendet werden, da sie ein selbstgängiger Brennstoff sind. Bereits die feuchten Brennstoffgranulate mit einem vergleichsweise hohen Wassergehalt von bis zu 47 % haben einen Heizwert, der mit getrockneten Klärschlämmen vergleichbar ist. Diese feuchten Brennstoffgranulate können somit unmittelbar in vorhandenen Klärschlammverbrennungsanlagen verbrannt werden, ohne daß bauliche Veränderungen im Ofen- und Abhitzesystem vorge¬ nommen werden müssen. Luftgetrocknet erreichen sie als trockene Brennstoffgranulate einen Heizwert, der mit trok- ckener Braunkohle vergleichbar ist

Für die Herstellung der erfindungsgemäßen Brennstoffgra¬ nulate sind keine aufwendigen Sondermaschinen und -ein- richtungen notwendig. Neben den üblichen Vorentwässe¬ rungsmethoden und -einrichtungen wird lediglich ein Granu¬ liermischer mit Zuführungs- und Abzugsvorrichtungen benö¬ tigt sowie gegebenenfalls Einrichtungen zur Zwischenlage¬ rung der Rohgranulate für eine Umlufttrocknung ohne Ther- moenergiezufuhr.

Je nach dem TS-Gehalt des Rohklärschlammmes (Dünnschlamm) bzw. des durch Flockung und Schwerkraftfiltration vor¬ entwässerten Klärschlammes lassen sich die feuchten

Brennstoffgranulate durch entsprechende Zugaben von Kondi- tionierungsmitteln, wie feinteilige und trockene Kohle so¬ wie Kalk, herstellen. Eine gegebenenfalls gewünschte Trocknung ist ohne zusätzlichen energetischen Aufwand durch einfache Umlufttrocknung möglich, um dadurch zu den hö- herkalorigen trockenen Brennstoffgranulaten zu gelangen.

Neben Rohklärschlamm (Dünnschlamm) und durch Flockung und Schwerkraftentwässerung eingedicktem Klärschlamm lassen sich auch in Deponien oder Klärteichen abgelagerte Klär¬ schlämme mit Restfeuchten von z. B. 70 - 80 % zu selbstgängig verbrennbaren feuchten Brennstoffgranulaten und gegebenenfalls zu höherkalorigen trockenen Brenn¬ stoffgranulaten durch einfache Umlufttrocknung verarbeiten.

Die Herstellung der Brennstoffgranulate wird zweckmäßig am Ort des Anfalls des Klärschlammes vorgenommen. Es ist aber auch denkbar, die Herstellung an einer zentralen Stelle vorzunehmen, beispielsweise im Einzugsbereich von kleineren Kläranlagen oder an dem Ort, an dem die Brennstoffgranulate der Verbrennung zugeführt werden sollen.

In Figur 1 der Zeichnung sind beispielhaft einige bevor¬ zugte Möglichkeiten zur Herstellung der selbstgängig ver¬ brennbaren Brennstoffgranulate aus Klärschlamm dargestellt sowie deren Weiterbildung zu höherkalorigen trockenen Brennstoffgranulaten durch einfache Umlufttrocknung.

In Fig. 2 ist ein Temperaturverlauf eines Brennversuches it feuchten Brennstoffgranulaten abgebildet.

Allen aufgeführten Herstellungswegen gemeinsam ist in Fig. 1 die Granuliereinheit, nämlich der Granuliermischer 1, in dem die feuchten Brennstoffgranulate 12 hergestellt werden und der über eine Klärschlammaufgabe 11, eine Braunkoh¬ lenstaubaufgabe 9 und eine Branntkalkaufgabe 10 beschickt wird, wobei die einzelnen Zutaten so aufeinander abgestimmt werden, daß die feuchten Brennstoffgranulate 12 eine mittlere Feuchte zwischen 35 und 47 % haben.

Dabei orientiert sich die Branntkalkzugabe 10 am Schwefel¬ gehalt des Braunkohlenstaubes 9. Die Mengenanteile an Klärschlamm 11 und an Braunkohlenstaub 9 sind in Abhän¬ gigkeit von der jeweiligen Feuchte dieser Stoffströme zu errechnen, um zu feuchten Brennstoffgranulaten mit 35 - 47 % Feuchte zu gelangen, die ausreichend fest und rieselfähig (nicht klebend und nicht schmierend) sowie selbstgängig brennfähig sind. Sie können gegebenenfalls, ohne daß thermische Trocknungsenergie aufgewendet werden muß, allein durch Umlufttrocknung, z. B. in einem Umluftsilo 6, in ei¬ nem Turmrieseltrockner 7 oder in einem Trommeltrockner 8, weiterbehandelt werden, bis sie zu höherkalorigen trockenen Brennstoffgranulaten mit 20 - 10 % Feuchte oder weniger geworden sind. Falls Abwärme verfügbar ist, kann dadurch gegebenenfalls die Trocknungszeit verkürzt werden.

Der dem Granuliermischer 1 aufzugebende Klärschlamm 11 kann Dünnschlamm mit 1,5 - 8 % TS sein, der aus einem Dünn¬ schlammbehälter 2 abgegeben wird. In diesem Falle ist der Anteil an Braunkohlenstaub entsprechend hoch zu bemessen, um zu feuchten Brennstoffgranulaten 12 zwischen 35 und 47 % Feuchte zu gelangen.

Der Dünnschlamm kann aber auch zunächst weiter entwässert werden, z. B. in einer Flockung und Filtration 3 auf 15 - 35 % TS oder einer Schwerkraftentwässerung 4 auf 15 - 25 % TS, bevor er in den Granuliermischer 1 aufgegeben wird. In diesen Fällen wird der Zusatz von Braunkohlenstaub 9 anteilig geringer zu bemessen sein als bei Zugaben aus dem Dünnschlammbehälter 2.

Dem Granuliermischer 1 kann aber auch abgelagerter Klär¬ schlamm aus einer Deponie oder einem Schlammteich 5 mit 20 - 35 % TS zugeführt werden. Gegebenenfalls kann durch Ver¬ wendung von speziellen zusätzlichen Entwässerungseinrich¬ tungen bekannter Art der Trockensubstanzgehalt weiter er¬ höht werden.

Anstelle von Braunkohlenstaub 9 können auch Steinkohlen¬ staub oder andere kohlenstoffhaltige Trockenmassen, bei¬ spielsweise Holzmehl oder dergleichen, in entsprechenden Anteilen dem Granuliermischer 1 aufgegeben werden, um feuchte Brennstoffgranulate 12 zu erzeugen. Von Wichtigkeit ist dabei jedoch, daß die feuchten Brennstoffgranulate 12 ausreichend fest und rieselfähig sein müssen, um sie als selbstgängigen Brennstoff verwenden bzw. daraus durch Umlufttrocknung höherkalorige trockene Brennstoffgranulate 13 fertigen zu können.

Nachfolgend wird anhand einiger Beispiele die Herstellung von erfindungsgemäßen Brennstoffgranulaten im Einzelnen beschrieben.

Beispiel 1

Der in einer Kläranlage anfallende Schlamm mit einem Trockensubstanzgehalt von 2 % wurde unter Hinzugabe eines synthetischen organischen Flockungsmittels geflockt, durch Schwerkraftfiltration vorentwässert und anschließend durch Druckfiltration auf eine Restfeuchte von 80 % gebracht.

1,4 kg des entwässerten Klärschlammes mit einer Restfeuchte von 80 % wurden mit 1,0 kg feinteiliger trockener Braunkohle (ca. 10 % Feuchte) unter Zugabe von 5 % Branntkalk, bezogen auf die Braunkohlenmenge, in einem Granuliermischer gemischt und zu rundlichen Granulaten mit einer maximalen Korngröße von ca. 4 mm verarbeitet. Die feuchten Brennstoffgranulate waren ausreichend fest sowie rieselfähig und konnten problemlos in einem Silo gelagert werden. Sie hatten unmittelbar nach der Herstellung eine Feuchte von etwa 40 %. Nach 24 h Umlufttrocknung wurden trockene Brennstoffgranulate mit einer Feuchte von ca. 20 % und nach 60 h solche mit einer Feuchte von ca. 10 % er¬ reicht. Bereits die feuchten Brennstoffgranulate konnten problemlos selbstgängig verbrannt werden. Die trockenen Brennstoffgranulate enthielten noch genügend Feuchtigkeit, daß auch sie praktisch ohne Staubbildung handhabbar waren.

Beispiele 2 bis 5

Zur Verbesserung der Entwässerung und Erhöhung der Fil¬ trationsgeschwindigkeit wurde die gemäß Beispiel 1 ge¬ flockte Klärschlammsuspension zusätzlich mit Filterhilfs¬ mittel in Form von Feststoffpartikeln (0,1 - 0,3 mm) vor der Filterung versetzt. Als Filterhilfsmittel wurden Steinkohlenstaub (Beispiel 2), Koksabrieb (Beispiel 3), Holzmehl (Beispiel 4) bzw. Braunkohlenstaub (Beispiel 5) im Verhältnis 1:1, bezogen auf die jeweilige Schlamm¬ trockensubstanzmenge, eingesetzt. Dadurch konnte eine zu¬ sätzliche Absenkung des Wassergehalts im Filterkuchen nach der Druckfiltration um 2 - 5 %-Punkte auf 22 - 25 % TS erzielt werden. Die weitere Verarbeitung zu feuchten bzw. trockenen Brennstoffgranulaten erfolgte wie unter Beispiel 1 angegeben.

Beispiel 6

1,4 kg einer Klärschlammsuspension mit 2 % Trockensubstanz wurden ohne eine Vorentwässerung mit 2 kg trockenem Braun¬ kohlenstaub (10 % Feuchte) und 5 % Branntkalk (bezogen auf Braunkohle) in einem Granuliermischer vermischt und zu feuchten Brennstoffgranulaten verarbeitet. Die selbstgängig brennbaren Granulate hatten unmittelbar nach der Herstel¬ lung eine Restfeuchte von 44 %. Nach 60 h Lufttrocknung wurden daraus trockene Brennstoffgranulate mit einer Feuchte von ca. 20 %.

Beispiel 7

Gemäß einer weiteren MischungsVariante wurde Braunkoh¬ lenstaub mit einer höheren Feuchte von 22 % eingesetzt. 0,8 kg einer Klärschlammsuspension mit 2 % Trockensubstanz wurden mit 2,0 kg dieses feuchteren Braunkohlenstaubes unter Zugabe von 5 % Branntkalk, bezogen auf die Braun¬ kohlenmenge, in einem Granuliermischer vermischt und zu feuchten Brennstoffgranulaten verarbeitet. Diese brennfä¬ higen Granulate hatten nach der Mischung 36,7 % Feuchte. Nach 24 h Lufttrocknung konnten daraus trockene Brenn¬ stoffgranulate mit ca. 18,6 % Feuchte gebildet werden.

Beispiel 8

Bereits abgelagerter Klärschlamm aus einem Klärteich mit einem Restwassergehalt von 79 % wurde zur Herstellung des Brennstoffgranulats mit Braunkohlenstaub gemischt, wobei 1,5 kg Klärschlamm aus dem Klärteich (79 % Feuchte) mit 1,0 kg Braunkohlenstaub (10 % Feuchte) unter Zugabe von 5 % Branntkalk, bezogen auf die Braunkohlenmenge, in einem Granuliermischer zu feuchten Brennstoffgranulaten verar¬ beitet wurden. Diese hatten unmittelbar nach der Her¬ stellung eine Feuchte von 40,2 %. Nach 60 h Lufttrocknung sind daraus trockene Brennstoffgranulate mit einer Feuchte von 16,4 % geworden.

Beispiel 9

2,1 kg eines trockenen Steinkohlenschlamms (< 1 % H2O) wurden mit 1,5 kg kommunalem Klärschlamm (80 % H2O) und 5 % Branntkalk (bezogen auf Steinkohlenschlamm) in einem Gra¬ nuliermischer vermischt und zu rieselfähigen, selbstgängig brennbaren, feuchten Brennstoffgranulaten verarbeitet. Diese wiesen direkt nach der Herstellung einen Feuchte¬ gehalt von 35 % und die höherkalorigen trockenen Brenn¬ stoffgranulate nach 24 h Lufttrocknung eine Restfeuchte von < 20 % auf.

Die nach den Beispielen 1 - 9 hergestellten Brennstoff¬ granulate fallen nach dem Granuliervorgang als körnig¬ rundliche Pellets mit einer durchschnittlichen Korngröße von 1 - 4 mm an. Diese feuchten Brennstoffgranulate haben einen Wassergehalt von 35 - 47 % (65 - 53 % TS), sie sind rieselfähig und mechanisch belastbar.

Der Heizwert dieser Rohgranulate beträgt 10 - 14 MJ/kg und entspricht damit dem Heizwert von getrocknetem reinen Klärschlamm. Sie können überraschenderweise ohne weitere Trocknungsmaßnahmen direkt über Dosiereinrichtungen einer Wirbelschicht aufgegeben und dort selbstgängig verbrannt werden, wie das nachfolgende Beispiel ausweist.

Beispiel 10

Verbrennungsversuche mit feuchten Brennstoffgranulaten (47 % H ₂ 0)

Aus einer Mischung von kommunalem Klärschlamm und Braun¬ kohlenstaub hergestellte feuchte Brennstoffgranulate wurden einer stationären Wirbelschicht-Brennkammer mit einer thermischen Leistung von 300 kW als alleiniger Brennstoff aufgegeben. Bei diesen Versuchen wurden etwa 5 t Rohgra¬ nulat kontinuierlich verbrannt.

Fig. 2 zeigt beispielhaft die Temperaturverläufe während des Versuchs in Abhängigkeit von der Zeit, wobei die Zif¬ fern die Zahl der Stunden (h) angeben, in der Wirbelschicht (Wirbelbett-Temperatur 14), im darüber angeordnetem Frei¬ raum (Freiraum-Temperatur 15) und vor dem nachgeschalteten Zyklon (Zyklon-Temperatur 16). Während der Anfahrphase oder Aufheizphase a, die vom Zeitpunkt D, Einschalten des Auf- heizbrenners, bis zum Zeitpunkt B andauert, Ausschalten des Aufheizbrenners, steigen die Temperaturen im Wirbelbett und im Freiraum etwa gleichmäßig an. Gegen Ende der Aufheiz- phase a wird zum Zeitpunkt C mit der Brennstoffaufgabe in die Wirbelschicht begonnen. Nach dem Ausschalten des Auf- heizbrenners (Zeitpunkt B) beginnt die Stabilisierungsphase b, die bis zum Zeitpunkt A (Sekundärluftzugäbe "ein") an¬ dauert. Überraschenderweise hat sich im Wirbelbett nach dem Ausschalten des Aufheizbrenners der Verbrennungsvorgang allein aus den zugegebenen feuchten Brennstoffgranulaten selbstgängig getragen und sich bis zum Zeitpunkt A (Sekun- därluftzugabe "ein") stabilisiert, so daß von dort an bis

zum Versuchsende (Zeitpunkt E) eine sehr stabile Verbren¬ nungsphase c vorgelegen hat, in der nur noch sehr geringe TemperaturSchwankungen angezeigt worden sind. Deutlich ist zu erkennen, daß diese Temperaturverläufe vom Zeitpunkt A an, an dem die Sekundärluftzugäbe eingeschaltet wurde, bis zum Versuchsende E sehr gleichmäßig waren. Die fast gerad¬ linigen Kurvenverläufe verdeutlichen, daß die Zudosierung der feuchten Brennstoffgranulate ebenfalls sehr gleichmäßig erfolgt ist. Weiterhin kann daraus abgeleitet werden, daß der Abbrand intensiv und gleichmäßig verlief.

Nachstehend sind in Tabelle 1 eine Elementaranalyse und in Tabelle 2 weitere Kenndaten der verwendeten feuchten Brennstoffgranulate zusammengestell .

Tabelle 1

*) analysenfeucht

Tabelle 2

Kenndaten des Rohgranulates

Heizwert des Brennstoffgranulates (feucht) 10,2 MJ/kg

(wf) 21,4 MJ/kg

Schüttgewicht 0,5 kg/dm ³

CaO-Gehalt 2,44 Gew.-?

Bei einer fast konstanten Wirbelschichtverbrennungstempe- ratur in der Verbrennungsphase c von 720 bis 740°C und einer sich entsprechend einstellenden Freiraumtemperatur von 840 - 870°C ergaben sich unter Zugabe von Sekundärluft die in Tabelle 3 niedergelegten Emissionswerte.

Am nachgeschalteten Zyklon entnommene Feststoffproben be¬ stätigten, daß ein genügend hoher Ausbrand der feuchten Brennstoffgranulate sichergestellt war. Die Kohlenstoff- gehalte in den Ascheproben lagen zwischen C = 2,7 Gew.-% und 3,7 Gew.-%.

B E Z U G S Z E I C H E N L I S T E

1 Granuliermischer

2 Dünnschlammbehälter

3 Flockung und Filtration

4 Schwerkraftentwässerung

5 Schlammteich

6 Umluftsilo

7 Turmrieseltrockner

8 Trommeltrockner

9 Braunkohlenstaub

10 Branntkalk

11 Klärschlamm

12 feuchte Brennstoffgranulate

13 trockene Brennstoffgranulate

14 Wirbelbett-Temperatur

15 Freiraum-Temperatur

16 Zyklon-Temperatur

A Sekundärluftzugäbe "ei "

B Auf eizbrenner "aus"

C Brennstoffaufgäbe "ein"

D Aufheizbrenner "ein"

E Versuchsende a Anfahrphase bzw. Aufheizphase b Stabilisierungsphase c stabile Verbrennungsphase

ERSAT2BLÄTT ISA/EP