Herstellung von Leichtzuschlagstoffen aus Klärschlamm [online]

Lightweight Aggregates from Sewage Sludge

In the most industrial countries the reuse of sewage sludge is
solved no satisfactory.
The agriculture use is opposed to a series of arguments -
without discussion, if right or wrong - and the option of
landfill is closed in Germany from the year 2005 on. The
further exclusively practiced combustion in special facilities
counts as the most expensive method and alike the nowadays
propagated co-combustion in coal-fired power stations has the
problem of onset of ashes.
An alternative concept is introduced in this present work, that
uses both the substantial and energy characteristics of the
sewage sludge: PORODUR - the production of lightweight
aggregates. A similar process is the production of expanded clay:
For this method it is used such clay, which contains either
fine-distributed organic matter or which will be added
separately coal powder, oil or other analogical substances.
From this raw material pellets are formed and put to a thermal
treatment composed of preheating, baking and cooling. During the
firing the organic matter oxidizes and the generating flue gas
bloats the pellets, because the simultaneously softening of the
... mehrmineral matrix is hindering the leakage.
In case of the production of lightweight aggregates from sewage
sludge both combustible components are available; organic matter
as well as inorganic matter, which can used in the same way: The
organic generates the bloating gases, whereas the ash provides
the mineral sintering matrix. Thereto the dewatered sludge will
be dried, eventually mixed with small amount of recycling glass
or the like, pelletized and pyrolysed. The pyrolysis is
necessary to avoid crack initiation by entrance in the hot
burning chamber and to reduce the content of organic matter,
which is too high for handling the process control. The
pyrolysis residue (remaining organic - predominantly carbon -
and ashes) represents the bloating material, whereas the gaseous
products are used in the following kiln (and sludge drying) as
energy.
The process shows nearly the same unit operations like the
conventional production of expanded clay: Mixing, pelletizing,
drying, preheating, firing, cooling, classifying.
More complexity is asked for air pollution control, the dryer is
to dimension larger because of the higher water content of the
sludge and the preheater is to complete as a pyrolysis reactor.
On the other hand there are gains from acceptance of the sewage
sludge.
The actual practice of disposal of sewage sludge will be
described in a detailed overview. The basics for the production
of expanded clay will be illustrated for the synthesis of the
different areas ‘sewage sludge’ and ‘lightweight aggregates’ and
procedures presented as well, which produce expanded clay
pellets with sewage sludge. Afterwards the PORODUR process is
illustrated together with a mass and energy balance and results
of the investigation. These include technical queries like
baking/firing, edificial physics and environmental concerns. The
results show that the produced aggregates from sewage sludge are
comparably with expanded clay resp. bricks and other building
materials. The work closes with a forecast to the economic
efficiency, which proves that this concept describes a
reasonable alternative and justify further efforts.

Herstellung von Leichtzuschlagstoffen aus Klärschlamm

Die Verwertung bzw. Entsorgung von (kommunalen) Klärschlämmen
ist nach wie vor ein nicht zufriedenstellend gelöstes Problem:
Der landwirtschaftlichen Nutzung steht - zu Recht oder Unrecht
sei dahingestellt - eine Reihe von Widerständen entgegen und die
Option der Deponierung ist in Deutschland ab 2005 endgültig
versperrt.
Die früher ausschließlich praktizierte Verbrennung in speziell
dafür ausgerichteten Anlagen gilt als teuerstes Verfahren und
hat ebenso wie die heute stark propagierte Mitverbrennung in
Kohlekraftwerken das Problem des hohen Ascheanfalls.
In der vorliegenden Arbeit wird eine Alternative vorgestellt,
welche die stofflichen wie energetischen Eigenschaften des
Klärschlammes gleichermaßen nutzen kann:
PORODUR - Die Herstellung von Leichtzuschlagstoffen. Ein
vergleichbarer Prozeß ist die seit ca. 6 Jahrzehnten
großtechnisch betriebene Erzeugung von Blähton.
Hierzu werden Tone eingesetzt, die entweder aufgrund ihrer
Entstehung feinverteilte organische Bestandteile aufweisen oder
denen separat Kohlemehl, (Alt)Öl oder ähnliche brennbare Stoffe
zugegeben werden. Aus dem Rohmaterial werden Pellets geformt und
diese einer thermischen Behandlung, bestehend aus Vorwärmung,
Brennen und Kühlen, unterzogen. Beim Brennen werden die
organischen Inhaltsstoffe oxidiert und die Verbrennungsgase
„blähen“ die Pellets auf, da sie durch die gleichzeitige äußere
Erweichung der mineralischen Matrix am Austritt behindert werden.
Im Fall der Leichtzuschlagherstellung aus Klärschlamm sind
sowohl brennbare Komponenten in Form der organischen Substanz
als auch anorganische Anteile vorhanden, die somit in einer
ähnlichen Weise genutzt werden können: Die Organik übernimmt die
Rolle der Blähgase, während der Glührückstand (Asche) die
mineralische Sintermatrix zu Verfügung stellt. Hierzu wird der
entwässerte Klärschlamm getrocknet, evtl. zur Korrektur der
Aschezusammensetzung mit geringen Anteilen gemahlenen Altglases
o.ä. vermischt, zu Pellets geformt und pyrolysiert; die Pyrolyse
dient zum einen wie bei der konventionellen Blähtonherstellung
der Vorwärmung, damit die Pellets beim Eintritt in die heiße
Brennkammer nicht aufreißen oder platzen, zum anderen der
Reduktion des für eine sichere Beherrschung des Blähprozesses
zu hohen Organikanteils. Der Pyrolyserückstand (Restorganik
überwiegend in Form von Kohlenstoff und Asche) ist das
eigentliche Blähmaterial, während das ausgetriebene Gas zur
Deckung des thermischen Energiebedarfs der Anlage (inklusive
der Schlammtrocknung) intern verwertet wird. Das
Verfahrensschema weist hierbei weitgehend die selben „unit
operations“ wie die konventionelle Leichtzuschlagherstellung
auf: Mischen, Pelletieren, Trocknen/Vorwärmen, Brennen, Kühlen,
Klassieren. Mehraufwendungen ergeben sich durch folgende
Modifikationen: Es müssen stringentere
Luftreinhaltungsvorschriften eingehalten werden, der Trockner
ist aufgrund es höheren Wassergehaltes größer zu dimensionieren
und der Vorwärmofen ist als Pyrolysereaktor auszulegen.
Demgegenüber stehen jedoch erhebliche Einnahmen durch Abnahme
des Schlammes.
In einem ausführlichen Überblick wird die heutige Praxis der
Klärschlammentsorgung dargestellt. Zur Synthese der sehr
unterschiedlichen Bereiche ‚Klärschlamm‘ und
‚Leichtzuschlagstoffe‘ werden die Grundlagen der
Blähtonherstellung erläutert sowie Verfahren vorgestellt, welche
Blähtongranalien unter Einsatz von Klärschlamm herstellen.
Anschließend werden das PORODUR Verfahren samt Energieund
Massenbilanz sowie diesbezügliche Versuchsergebnisse
vorgestellt. Sie beinhalten sowohl brenntechnische als auch
bauphysikalische und umweltrelevante Belange, nach denen sich
die erzeugten Leichtgranulate mit auf dem Markt befindlichen
Bauprodukte messen lassen können. Die Arbeit schließt mit einem
Ausblick auf die Wirtschaftlichkeit, welche das Konzept auch aus
ökonomischer Sicht sinnvoll erscheinen läßt bzw. zumindest
weitere Bemühungen in Richtung einer technischen Umsetzung
rechtfertigt.