LfU / Elke Reichle / 06.10.2011 UWI Tagung / Augsburg · 2019-08-26 · Bezeichnung als Aschen -...
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Bayerisches Landesamt fürUmwelt
Rückstände aus Holzvergasungsanlagen
LfU / Elke Reichle / 06.10.2011
UWI Tagung / Augsburg
© LfU / Elke Reichle / 06. Oktober 20112
Rückstände aus Holzvergasungsanlagen Bayerisches Landesamt fürUmwelt
Inhalte
Ausgangspunkt
Rückstände – Arten und Anfallstellen
Untersuchung des LfU
Anlagen, Beprobungsumfang
Ergebnisse – Organische Substanz, Schwermetalle, PAK
Entsorgungshinweise
Ansatzpunkte für Optimierung
© LfU / Elke Reichle / 06. Oktober 20113
Rückstände aus Holzvergasungsanlagen Bayerisches Landesamt fürUmwelt
Ausgangspunkt
Holzvergasung
Zuverlässigkeit desAnlagenbetriebs
Serienreife
Gefahrenschutz
Immissionsschutz
Entsorgungsfrage
Weiterentwicklungder Anlagen-
technik
© LfU / Elke Reichle / 06. Oktober 20114
Rückstände aus Holzvergasungsanlagen Bayerisches Landesamt fürUmwelt
Rückstände – Arten und Anfallstellen
Vergaserrückstand FilterstaubSchlamm, WaschwasserKondensat
StromVergaser Energetische /
motorische Nutzung
Aufbereitung Gasaufbereitung(Kühlung und
Reinigung)Wärme
Holzgas
Holzgas
Brennstoff
Vergasungsmittel
© LfU / Elke Reichle / 06. Oktober 20115
Rückstände aus Holzvergasungsanlagen Bayerisches Landesamt fürUmwelt
Verfahren der GasaufbereitungVe
rgas
er
Motor
Kühler Wäscher Elektrofilter
Kondensat Schlamm> 500 °C < 100 °C
Nasse Nasse GasreinigungGasreinigung
Kühler Gewebefilter Kühler
Filterstaub Kondensat
Kalte Kalte TrockenreinigungTrockenreinigung
Filterstaub Kondensat
Heißgasfilter KühlerHeiHeißße e TrockenreinigungTrockenreinigung
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Rückstände aus Holzvergasungsanlagen Bayerisches Landesamt fürUmwelt
Rückstandsfraktionen (Beispiele)
Vergaserrückstand Schlamm
Filterstaub Waschwasser
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Rückstände aus Holzvergasungsanlagen Bayerisches Landesamt fürUmwelt
Untersuchung des LfU – Beprobungsumfang
Anlagen• 7 Anlagen, meist Gleichstromvergaser, Leistung zw. 30 und 300 kWel
• 3 Nassreinigungs-, 3 kalte Trockenreinigungs- und 1 heißes Trockenreinigungsverfahren
Proben• 4 Vergaserrückstände, 4 Filterstäube, 1 Schlamm
(1 Waschwasser, 2 Kondensate)
Analysen• Glühverlust, TOC, Heiz- /Brennwert• Schwermetalle (Pb, Cd, Cr, Cu, Ni, Zn, As)• Organische Schadstoffe (PAK, einzelne Proben: PCDD/F)
-> Artikel M&A 3/10, http://www.muellundabfall.de/aid/mua_20100305/inhalt.html
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Rückstände aus Holzvergasungsanlagen Bayerisches Landesamt fürUmwelt
Untersuchungsergebnisse – Glühverlust / TOC
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Vergas
er_1
Vergas
er_2
Vergas
er_3
Vergas
er_4
Filter_5
Filter_6
Filter_4
Filter_7
Schlam
m_1
DepV, K
l. II
Glühverlust %TOC %
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Rückstände aus Holzvergasungsanlagen Bayerisches Landesamt fürUmwelt
Untersuchungsergebnisse – Heiz-/Brennwert
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5.000
10.000
15.000
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25.000
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35.000
Vergas
er_1
Vergas
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Vergas
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Vergas
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Filter_5
Filter_6
Filter_4
Schlam
m_1
KrW-/A
bfG bz
w. Dep
V
Heizwert kJ/kg
Brennwert kJ/kg
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Rückstände aus Holzvergasungsanlagen Bayerisches Landesamt fürUmwelt
Zusammenfassung Ergebnisse – Glühverlust / Heizwert
• Vergaserrückstände: hoher GV über 70 % bis zu 95 %,Heizwert zwischen ca. 24.000 und 31.000 kJ/kg.
• Filterstäube: Werte variieren, Maximalwert von ca. 70 % GV und 25.000 kJ/kg Heizwert (Ausnahme : Filterstaub Heißgasfilter )
• Mindestwert für die energetische Verwertung (KrW-/AbfG) und Beurteilungs-werte für Deponiefähigkeit (DepV) bei GV,TOC und Brennwert sind meist deutlich überschritten.
Geringe mineralische oder hohe unvergaste organische Anteile: Bezeichnung als Aschen - analog Aschen aus der Verbrennung von Holz - ist unzutreffend.
Hoher verbleibender Energieinhalt in den Rückständen (im Bereich von Braun- oder Steinkohle)
Negativer Einfluss auf den Gesamtwirkungsgrad der Anlage.
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Rückstände aus Holzvergasungsanlagen Bayerisches Landesamt fürUmwelt
Untersuchungsergebnisse – Schwermetalle (Bsp.: Blei, Cadmium)
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Vergaser_1
Vergaser_2
Vergaser_3
Vergaser_4
Filter_5
Filter_6
Filter_4
Filter_7
Schlamm_1
BBodSchV
DüMV
Pb mg/kg
NWG
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
Vergase
r_1Verg
aser_2
Vergase
r_3Verg
aser_4
Filter_5
Filter_6
Filter_4
Filter_7
Schlamm_1
BBodSchV
DüMV
Cd mg/kg
NWG
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Rückstände aus Holzvergasungsanlagen Bayerisches Landesamt fürUmwelt
Zusammenfassung Ergebnisse – Schwermetalle
• In fast allen Fällen liegen Schwermetallgehalte (Pb, Cd, Cr, Cu, Ni, Zn) der Vergaserrückstände unterhalb der Werte für Filterstäube.Erklärung: Bei hohen Temperaturen im Vergaserreaktor in die Gasphase übergegangene Verbindungen kondensieren auf dem Abgasweg an Flugstaubteilchen aus.
Belastung der Vergaserrückstände mit Schwermetallen spielt untergeordnete Rolle.
Untersuchte Filterstäube hingegen konnten im Falle von Cadmium, Nickel und Zink die Grenzwerte der DüMV meistens nicht einhalten.
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Rückstände aus Holzvergasungsanlagen Bayerisches Landesamt fürUmwelt
Untersuchungsergebnisse – PAK
1
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1000
10000
Vergas
er_1
Vergas
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Vergas
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Vergas
er_4
Filter_5
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Filter_4
Filter_7
Schlam
m_1
BBodSch
V
Summe PAK mg/kg
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Rückstände aus Holzvergasungsanlagen Bayerisches Landesamt fürUmwelt
Zusammenfassung Ergebnisse – PAK
PAK-Gehalte Vergaserrückstände zwischen 8 und 53 mg/kg TS, Filterstäube zwischen 1.500 und 8.700 mg/kg TS, Ausnahme: Filterstaub Heißgasfilter (4 mg/kg PAK)
Vorsorgewert der BBodSchV (für Humusgehalte ≤ 8 %) von 3 mg/kg wurde von allen Rückständen überschritten.
PAK-Belastung der Filterstäube ist meist deutlich − bis zu einem Faktor 1000 − höher als Belastung der Vergaserrückstände.
Während des Vergasungs-/Pyrolysevorganges entstehen Teere 1. aus Hauptbestandteilen der Biomasse (Cellulose, Hemicellulose, Lignin),2. durch Umsetzung bei weiterer Temperaturerhöhung in Anwesenheit von
Oxidationsmitteln,3. oberhalb von ca. 800°C durch Rekombinationsprozesse.
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Rückstände aus Holzvergasungsanlagen Bayerisches Landesamt fürUmwelt
Abfallrechtliche Einstufung
Rechtsgrundlage: Abfallverzeichnis-Verordnung in Verbindung mit den Hinweisen des BMU zur Anwendung der AVVAbfall mit einem Gehalt an PAK von mehr als 1000 mg/kg und/oder Benzo(a)pyren von mehr als 50 mg/kg ist als gefährlich einzustufen.
Vergaserrückstände sind (nach jetzigem Kenntnisstand) im Allgemeinen keine gefährlichen Abfälle.
Der Großteil der untersuchten Rückstände aus der Produktgas-aufbereitung (Filterstäube, Schlamm) weist PAK-Gehalte über 1000 mg/kg auf; im Allgemeinen ist daher von einer Gefährlichkeit dieser Abfälle auszugehen.Folge: Nachweis- bzw. Registerpflicht nach der Nachweisverordnung.
Gefahrenrelvante Parameter können neben PAK bzw. Benzo(a)pyren auch andere Stoffe, wie z. B. Benzol sowie die Eluatkriterien nach Anhang III der Hinweise des BMU sein. Sofern keine Analysen vorliegen, sind die Filterstäube dem AVV-Schlüssel 10 01 18* zuzuordnen.
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Rückstände aus Holzvergasungsanlagen Bayerisches Landesamt fürUmwelt
Rechtliche Rahmenbedingungen landwirtschaftl. Verwertung
Zulässige Ausgangsstoffe für Düngemittel (Tab. 7 DüMV)
Liste geeigneter Zuschlagstoffe (Anhang 1 BioAbfV)
Aufbringen von Bioabfällen und Gemischen, die andere als in Anhang 1 Nr. 1 genannte Bioabfälle enthalten, nur bei Zustimmung der zuständigen Behörde und Durchführung von Untersuchungen auf weitere Schadstoffe unter Berücksichtigung der Art, Beschaffenheit oder Herkunft der Bioabfälle zulässig (§ 6 Abs. 2 BioAbfV )
Vermischungsverbot:Nach § 4 Abs. 1 BioAbfV : „Der Bioabfallbehandlerdarf Bioabfälle und Bodenmaterialien, Torf oder in Anhang 1 Nr. 2 genannte mineralische Materialien verwenden, von denen in unvermischter Formauf Grund ihrer Art, Beschaffenheit oder Herkunft angenommen werden kann, dass sie nach einer Behandlung die Anforderungen nach Absatz 3 (Grenzwerte) einhalten und bei denen keine Anhaltspunkte für überhöhte Gehalte an weiteren Schadstoffen bestehen.
Zugelassen sind Düngemittel, die… die Fruchtbarkeit des Bodens, die Gesundheit von Menschen, Haustieren und Nutzpflanzen nicht schädigen und den Naturhaushalt nicht gefährden (§3 Abs. 1 DüMV)
Nach § 4 Abs. 1 Nr. 2 dürfen Wirtschaftsdünger …“nur in den Verkehr gebracht werden, wenn für die Herstellung a) als Ausgangsstoffe nur Stoffe verwendet werden, die aa) einen pflanzenbaulichen, produktions- oder anwendungstechnischen Nutzen haben oderbb) dem Bodenschutz oder der Erhaltung und Förderung der Fruchtbarkeit des Bodens dienen…“
Schadstoffgrenzwerte: Anlage 2 Tabelle 1.4 DüMVSchwermetall_Grenzwerte: §4 Abs. 3 BioAbfV
Formal zulässiger Ausgangs-/Zuschlagsstoff ?
Ist Schadlosigkeit gewährleistet ?
Biologischer Nutzen ?
nein
© LfU / Elke Reichle / 06. Oktober 201117
Rückstände aus Holzvergasungsanlagen Bayerisches Landesamt fürUmwelt
Qualitativer Vergleich PAK-Werte (der untersuchten Rückstände im Hinblick auf die landwirtschaftliche Verwertung)
1 10 100 1.000 10.000
Quellen: Bundesweite Hintergrundwerte für Böden (LABO, 2003), Schadstoffgehalte von Komposten und Vergärungsrückständen (LfU Umwelt Spezial, 2007)
Hintergrundwerte Grünland / Acker-Oberböden
Durchschnittl. Gehalte Bio-abfall-/ Grüngutkomposte
Untersuchung LfU Vergaserrückstände
Untersuchung LfU Filterstäube
PAK mg/kg
Vorsorgewert BBodSchV(für Humusgehalte< 8%)
© LfU / Elke Reichle / 06. Oktober 201118
Rückstände aus Holzvergasungsanlagen Bayerisches Landesamt fürUmwelt
Verwertung als Düngemittel
Filterstäube, Schlamm:Bei untersuchten Materialien mit PAK-Gehalten im Bereich zwischen 1.000 und 10.000 mg/kg ist eine Verwertung als Düngemittel ausgeschlossen. (außerdem wegen erhöhter Belastung mit Schwermetallen)
Vergaserrückstände:Belastung mit PAK deutlich niedriger, liegt jedoch ebenfalls über Vorsorgewert BBodSchV und deutlich über durchschnittlichen PAK-Gehalten anderer Abfälle, die landwirtschaftlich verwertet werden (z. B. Grüngut- oder Bioabfallkomposte).Erhöhte PAK-Werte deuten ebenfalls auf fehlende Eignung für landwirtschaftliche Verwertung hin.
Im Einzelfall nach § 6 Abs. 2 BioabfV unter Zustimmung der Behörden (LfU, LfL) und analytischem Nachweis der Schadlosigkeit u. U. möglich.
© LfU / Elke Reichle / 06. Oktober 201119
Rückstände aus Holzvergasungsanlagen Bayerisches Landesamt fürUmwelt
Rahmenbedingungen energetische Verwertung
eine energetische Verwertung im Sinne des § 4 Abs. 4 nur zulässig, wenn der Heizwert des einzelnen Abfalls, ohne Vermischung mit anderen Stoffen, mindestens 11.000 kJ/kg beträgt
Regelbrennstoff
Mögliche Kriterien:Homogenität, Heizwert, Körnung, Störstoffgehalt, Schadstoffgehalt.
a) Vergaserrückstände
Mindest-Heizwert nach KrW-/AbfG
Wahl der Feuerungsanlage
Technische Eignung
Zulässigkeit
b) Rückstände aus Produktgasaufbereitung
Kein Regelbrennstoff
"Holzkohle nach DIN EN 1860"(Festlegungen u. a. zu Mindestwert Kohlenstoff, Maximalwert Asche, Körnung)
1. BImSchV
nur Einsatz in Anlagen zulässig, die den Anforderungen der17. BImSchV unterliegen (z. B. HMV).
17. BImSchV
Die energetische Verwertung ist ausschließlich in Anlagen zulässig, die den Anforderungen der 17. BImSchV unterliegen. Der Einsatz in Kleinfeuerungsanlagen ist unzulässig, da derartige Rückstände keine Brennstoffe nach § 3 der 1. BImSchV sind.
© LfU / Elke Reichle / 06. Oktober 201120
Rückstände aus Holzvergasungsanlagen Bayerisches Landesamt fürUmwelt
Weitere Schlussfolgerungen
Entsorgungskosten
Rückstände mit hohem Heizwert
GroßeRückstandsmengen
Z. T. hoheSchadstoffgehalte
Energieausbeute / Anlageneffizienz
Wirtschaftlichkeit
AkzeptanzEnergieausbeute / Anlageneffizienz
Wirtschaftlichkeit
Energieausbeute / Anlageneffizienz
Wirtschaftlichkeit
Energieausbeute / Anlageneffizienz
Wirtschaftlichkeit
© LfU / Elke Reichle / 06. Oktober 201121
Rückstände aus Holzvergasungsanlagen Bayerisches Landesamt fürUmwelt
Mögliche Ansätze für Vermeidung(Vermeidung = Verminderung der Menge und Schädlichkeit)
Thermochemischer ProzessErzeugen von Holzgas mit niedrigen Teergehalten
Optimieren des Vergasungs-prozesses (Temperatur, Verweilzeit, Geometrie usw.)
Verringerung PAK-Gehalte
Verringerung organischer Rest-gehalte (und somit anfallender Mengen)
Vergaser
Verfügbarkeit, Preis des Brennstoffes
Optimierte Feuchte, Feinanteil, Holzart usw.
Verringerung PAK-GehalteVerbesserg.Vergasungsprozess
Brennstoffwahl
Eventuell erhöhte Schadstoff-emissionen Luft
Anlageninterne Rückführung / thermische Nachbehandlung
Generelle Vermeidung (belasteter) Rückstände
Erweiterte Anlagentechnik
Zulässiger Temperaturbereich Abgasreinigungstechnik
Wirkungsgrad, thermische Belastung Motor
Gasführung oberhalb des entspr. Taupunktes
Vermeidung der Anreicherung von Schadstoffen durch Auskondensation
Vermeidung der Entstehung von Kondensat
Gasaufbereitung
Verwendung trockener Abgasreinigungtechniken(Keramische Filter, Tuchfilter)
Vermeidung von flüssigen, schlammigen Rückständen
Abgasreinigungs-technik
GrenzenPrinzipZielVerfahrensteil