Entwicklung einer Anlage zur Hygienisierung und Trocknung von schlammartigen Biomassen mit Hilfe von Branntkalk
Projektdurchführung
Fachhochschule Münster
Fachbereich Energie - Gebäude - Umwelt
Stegerwaldstr. 39
48565 Steinfurt
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens
Für die Nutzung von schlammartigen Biomassen zur Düngung auf Ackerflächen ist die Hygienisierung als Maßnahme zur Aufbereitung für die Sicherstellung eines hygienisch einwandfreien Status von besonderem Interesse. Gerade in viehveredlungsstarken Regionen werden technische Lösungen gesucht, die es ermöglichen überschüssige Nährstoffe in Form marktgerechter Düngemittel an Bedarfsregionen abzugeben.
Im Projekt wird eine technische Anlage entwickelt, die mit Hilfe von Branntkalk schlammartige Biomassen sowie deren Produkte aus einer Entwässerung hygienisiert und anschließend trocknet. Für die Temperaturerhöhung wird die Reaktion von zugegebenem Branntkalk mit dem Wasseranteil aus dem zu hygienisierenden Substrat ausgenutzt. Ein weiterer Effekt der Branntkalkzugabe ist das Freisetzen von Ammoniak durch die Erwärmung und die Anhebung des pH-Wertes im Material. Insbesondere bei ammoniakreichen Reststoffen, wie zum Beispiel Geflügelmist, kann so auch ein verstärkter Einsatz in Biogasanlagen ermöglicht werden.
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenWesentliche Herausforderung bei der Entwicklung und Konstruktion einer technischen Anlage stellt die richtige Zusammensetzung und Dimensionierung der Misch- und Fördertechnik für einen zuverlässigen Betrieb dar. Die einzelnen Anlagenkomponenten sind zwar erprobt und vielfach eingesetzt, jedoch noch nie in dieser Zusammenstellung in Kombination mit verschiedenen schlammartigen Biomassen.
Für die Entwicklung des Verfahrens wurden im Labor verschiedene Biomassen und deren Reaktion mit Branntkalk untersucht. Ergänzt wurden diese Untersuchungen um Versuche an einem halbtechnischen Aufbau mit Umsatzmengen von etwa 300 kg Biomasse und am Ende an einer Anlage im großtechnischen Maßstab mit Umsatzmengen von etwa 500 kg Biomasse pro Charge. Dabei wurden vor allem die Erwärmung des Materials und die Freisetzung des enthaltenen Ammonium-Stickstoffs in Form von Ammoniak untersucht. Ergänzt wurden die Untersuchungen mit Betrachtungen zu Stromverbrauch und Biogaspotenzial. Abschließend wurden eine Stoffstrombilanz und eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung erstellt.
Ergebnisse und Diskussion
Die im Projekt erarbeiteten Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen:
1. Errichtung einer vollautomatischen Versuchsanlage im großtechnischen Maßstab
2. Mit höheren Branntkalkzugaben (bis zu 8 %) sind tendenziell kürzere Behandlungszeiten, höhere Temperaturen im Substrat und höhere Eliminationsraten an Ammoniak möglich (bis zu 70 %)
3. Bei der Zugabe von 8 % Branntkalk erhitzt sich Hühnertrockenkot innerhalb von 5 Minuten auf über 80 °C- danach Abkühlung über 60 Minuten auf 68 °C
4. Erwärmen alleine genügt nicht ? nur geringe Ammoniakelimination von weniger als 5 % bei der Erhitzung von separiertem Gärrest auf 70 °C über eine Stunde
5. Schwefelsäurewäscher erreicht einen Eliminationsgrad von über 99 % bei der Abscheidung des Ammoniaks aus der Abluft
6. Produktion eines marktfähigen Düngers (Ammoniumsulfatlösung)
7. Bei Behandlungszeiten ? 15 Minuten gibt es keine Veränderung des Biogasertrages bei Geflü-gelmist; längere Behandlungszeiten reduzieren den Biogasertrag nur geringfügig (ca. 10 %)
8. Stromverbrauch von ca. 3,4 kWhel/t bei einem Durchsatz von 3,2 t/h (ohne Misch- und Vorlagebehälter)
9. Kosten zwischen 13 und 16 /t (15 min Behandlungszeit, 8 % Branntkalk) - starke Abhängigkeit der Kosten von Behandlungszeit und Branntkalkmenge
Darüber hinaus wurden im Verlauf der Untersuchungen eine Reihe von technischen und verfahrenstechnischen Optimierungen vorgenommen. Wesentlich war dabei die sichere technische Ausführung der Förder- und Mischtechnik für die schwierig zu handhabenden Substrate. Weiterer wichtiger Baustein war die Erweiterung der Anlage um einen Schwefelsäurewäscher zur Rückgewinnung des entweichenden Ammoniaks als wertvolles Ammoniumsulfat.
Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation
Von der Fa. Thiel wurde ein Flyer zur Bewerbung der Anlagentechnik erstellt. Darüber hinaus wurde das Projekt und die entwickelte technische Anlage bei folgenden Veranstaltungen und Medien präsentiert:
Präsentation des Projektes mit einem Poster auf dem FNR/KTBL-Kongress Biogas in der Landwirtschaft Stand und Perspektiven vom 26. bis 27.09.2017 in Bayreuth, Tagungsband: ISBN 978-3-945088-52-4
Aufbereitung schon vor der Vergärung, Top Agrar Energie Magazin 3/2017, S. 24
Aus Mist macht er Moneten, Neue Osnabrücker Zeitung vom 21.12.2017, S. 17
In Vorbereitung:
Präsentation des Projektes und der entwickelten Anlagentechnik im Rahmen des Messestandes der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) auf der IFAT 2018, der Weltleitmesse für Wasser-, Abwas-ser-, Abfall- und Rohstoffwirtschaft, vom 14. bis 18. Mai 2018 in München
Fazit
Das Ziel des Projektes, eine Anlagentechnik zu entwickeln, mit der marktfähige und hygienisch einwandfreie Düngemittel aus schlammartigen Biomassen produziert werden können, wurde erreicht. Durch die Erhöhung der Transportwürdigkeit und der Produktion eines Mineraldüngerersatzes kann damit auch eine Nährstoffsenke für die Region gebildet werden. Zusätzlich können mit Hilfe dieses Verfahrens ammoniakreiche Reststoffe, wie zum Beispiel Geflügelmist, auch in größeren Mengen in Biogasanlagen energetisch verwertet werden. Im nächsten Schritt gilt es nun, die erfolgreiche Kooperation weiter zu führen und die entwickelte Anlage zu optimieren, um die Effizienz bei der Ammoniakentfernung bzw. Hygienisierung von verschiedenen Stoffen zu steigern und die wirtschaftlichen Risiken zu senken.