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Dokumentenidentifikation DE102006054566B3 22.11.2007
Titel Trocknungsanlage-Trommelmischer für Klärschlamm
Anmelder Cakir, Ugur, Dipl.-Ing., 71277 Rutesheim, DE
Erfinder Cakir, Ugur, Dipl.-Ing., 71277 Rutesheim, DE
DE-Anmeldedatum 20.11.2006
DE-Aktenzeichen 102006054566
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 22.11.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.11.2007
IPC-Hauptklasse C02F 11/12(2006.01)A, F, I, 20061120, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F26B 3/02(2006.01)A, L, I, 20061120, B, H, DE   
Zusammenfassung Bei dieser Erfindung handelt es sich um eine Trocknungsanlage für Klärschlamm mit einem Trommelmischer. Jede Kläranlage mit Belebschlammverfahren benötigt im Belebungsbecken 8 Sauerstoff. Um diesen Sauerstoff in das Belebungsbecken 8 einzublasen, besitzt die Kläranlage einen Gebläseraum 6, in den je nach Größe der Kläranlage ein oder mehrere Gebläse 10 untergebracht sind. Die Gebläse 10 saugen die frische Außenluft 9 an, verdichten und pressen sie durch ein Leitungssystem 11 in das Belebungsbecken 8. Bei diesem Verdichten und Reiben der Luft erhitzt sich diese und es entsteht in der Luftleitung 11 eine Temperatur (Heißluft). In diese Luftleitung 11 wird ein Kreuzstromwärmetauscher 7 (Luft gegen Luft) eingebaut. Dadurch wird nutzbare Heißluft 12 gewonnen. Die nutzbare Heißluft 12 wird mit einem regelbaren Ventilator 14 durch eine Luftleitung zum Trommelmischer 2 geleitet. Der Ventilator 14 saugt die vorgewärmte Luft 15 von dem Gebläseraum 6 an. Der entwässerte Klärschlamm 17, mit einer Trockensubstanz bis zu 35%, wird nach der Entwässerungsmaschine mit einer Förderschnecke 3 in den Trockenmischer 2 eingebracht. Die nutzbare Heißluft 12 wird von oben in die Öffnung des Trockenmischers 2 eingeblasen. Nach dem Befüllen mit Klärschlamm 17 dreht sich der Trockenmischer 2 in Mischrichtung x nach einem abgestimmten Steuerungsprogramm. Nach dem Befüllen mit Schlamm wird der Trommeltrockner 2 nur eine bestimmte Zeit in Rotation gebracht. Dann beginnt eine speziell ermittelte ...

Beschreibung[de]

Bei dieser Erfindung handelt es sich um eine Trocknungsanlage für Klärschlamm mit einem gebräuchlichen Betonmischer oder Trommelmischer. Dabei kann die in vielen Kläranlagen vorhandene Wärmeenergie in einfacher Weise genutzt werden, indem man diese in einen Trockenmischer (Betonmischer – Trommelmischer) hineinleitet. In diesem Trockenmischer wird der vorentwässerte Klärschlamm und die eingeleitete Warmluft zusammengemischt. Dieses geschieht mit einem angepassten Intervallprogramm, je nach Klärschlamm und Volumen. Hier wird ein spezielles Steuerungskonzept verwendet mit überlagertem Prozessleitsystem. Durch die Erwärmung des Klärschlamms verdampft das noch enthaltene Wasser, wodurch sich der Trockensubstanzgehalt des Klärschlamms erhöht.

Bereits Mitte des vergangenen Jahrhunderts wurde Solarenergie zur Trocknung und Entwässerung von Klärschlamm in Schlammbeeten genutzt. Zur Verringerung der Witterungsabhängigkeit wurden diese Schlammbeete seit den sechziger Jahren vereinzelt auch mit offenen Glas- oder Folienkonstruktionen überdacht. Ferner wurde der Schlamm zur Verbesserung der Trocknungsleistung und Gleichmäßigkeit der Trocknung verschiedentlich in unregelmäßigen Abständen gewendet. Aufgrund der in Verbindung mit zu geringen Wendeintervallen häufig auftretenden Geruchsemissionen, sowie dem hohen Arbeitszeitbedarf sind derartige Lösungen bis heute aber nur vereinzelt anzutreffen. Spätere Überlegungen, konventionelle Bandtrockner mit vorgewärmter Luft aus Solarkollektoren zu versorgen, haben sich aus Kostengründen in der Praxis bislang nicht durchsetzen können. Um einen nennenswerten Anteil am thermischen Energiebedarf aus solarer Strahlung zu decken, wären erhebliche zusätzliche Investitionen für die erforderlichen Kollektoren unvermeidlich.

Im Unterschied zu überdachten Schlammbeeten, ist bei Solartrocknungsanlagen nach der hier zugrundegelegten Definition der Wendevorgang des Schlammes mechanisiert bzw. automatisiert. Witterungs- und schlammfeuchteabhängige Wendehäufigkeiten von 0,5 bis 12 mal täglich sind üblich. Auch in Bezug auf den Schlammeintrag und -austrag werden verschiedene Mechanisierungslösungen angeboten. Ferner wurde bei verschiedenen Anlagen eine Nutzung von Abwärme aus Klärgasverstromungs- oder Schlammverbrennungsprozessen realisiert. Dementsprechend ist auch die in allen Verfahren eingesetzte, transparente Gebäudehülle gemäß den Anforderungen optimiert. Generell ist der überwiegende Teil der zur Trocknung erforderlichen Energie solaren Ursprungs. Abgesehen von meist sehr individuell zugeschnittenen Einzellösungen sind heute im wesentlichen drei solare Trocknungsverfahren auf dem Markt vertreten. Die Verfahren unterscheiden sich vor allem hinsichtlich der Regelungstechnik sowie des maschinentechnischen Aufwandes für das erforderliche Wenden und Mischen des Schlammes.

Basis aller Verfahren ist eine befestigte Grundfläche mit einer darüber angeordneten, transparenten Bauhülle. Innerhalb dieses Gebäudes wird der Schlamm unter regelmäßigem Mischen und Wenden getrocknet. Den unterschiedlichen Anlagen für das Schlammwenden entsprechend: Förderbänder in zwei Etagen beim Ratus-Verfahren, ein über die ganze Anlagenbreite reichender Schubwender beim IST-Verfahren, und ein im Verhältnis der zu bearbeitenden Fläche sehr kleiner Wenderoboter, das genannte "elektrische Schwein" bei Thermo-System, stellen die Verfahren allerdings unterschiedliche Anforderungen an die Schlammbeschaffenheit. Die höchsten Anforderungen stellt das IST-Verfahren. Hier muss der Schlamm vor der Trocknung auf mindestens 20–25% TR (Trockensubstanz) vorentwässert, oder mit trockenem Schlamm aufgemischt werden, um ein Verkleben des Schubwenders während des Wendevorganges zu verhindern. Beim Ratus-Verfahren genügt eine mechanische Vorentwässerung mit einem in die Anlage integrierbaren Siebband auf ca. 10–12% TR (Trockensubstanz).

Beim Thermo-System-Verfahren kann sowohl mechanisch vorentwässert als auch nicht vorentwässerter Flüssigschlamm getrocknet werden. Wobei die Trocknung von Flüssigschlamm aus Kostengründen insbesondere für kleine Anlagen unter 10 000 EW interessant ist. Bei größeren Anlagen ist eine mechanische Vorentwässerung meist wirtschaftlich, da die pro Einwohnerwert erforderliche Anlagefläche dadurch erheblich sinkt. Unterschiede zwischen den Verfahren bestehen aber auch in Bezug auf den Wasseraustrag. Während IST und Ratus in erster Linie auf einen Wasseraustrag mit natürlichem Luftaustausch durch freie Konvektion setzen verfügt die Standardanlage vom Thermo-System über ein sensorgesteuertes Be- Entlüftungskonzept mit Klappen und zeitweise zugeschalteten Ventilatoren für Luftaustausch und -umwälzung. Ziel ist es, günstige Trocknungsbedingungen durch einen hohen Luftaustausch möglichst optimal auszunutzen und feuchte Grenzschichten von der Schlammoberfläche abzulösen. Der Trocknungsvorgang selbst ist bei Ratus und Thermo-System wollständig automatisiert. Bei IST muss der Vorschub des Schubwenders vom Betreiber in Abhängigkeit von den Witterungsbedingungen eingestellt bzw. angepasst werden, da der Schlamm beim Wendevorgang gleichzeitig durch die Halle gefördert wird. In Bezug auf den Mechanisierungsgrad von Schlammein und -austrag, bestehen bei allen drei Herstellern sehr weitreichende Möglichkeiten. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit wird aber meist eine Beschickung per Radlader, Container oder Verteilwagen einer weitergehenden Mechanisierung vorgezogen.

Der Stand der Technik mit allen bekannten Verfähren mit ihren Schwächen und Nachteilen:

  • – hohe Investitionskosten
  • – hohe Geruchsbildung
  • – Trockhungsleistung abhängig vom Wetter
  • – hoher Arbeits- und Wartungsaufwand
  • – großer Flächenbedarf
  • – hoher Personalbedarf
  • – Staubbelastung
  • – längere Trocknungszeit
  • – Filtratwassersammelbehälter oder -becken werden benötigt
  • – Verwertung weiterer kommunaler Abfälle (Rechengut, Sandgut usw.) nicht möglich
  • – hoher Energieaufwand
  • – hohe Planungskosten
  • – zusätzliche Transportgeräte, z.B. Radlader
  • – Maßnahmen zum Explosionsschutz erforderlich

Die Druckschrift DE 10 2004 036 081 A1 beschreibt die Trocknung von Klärschlamm im Betonmischer, gibt jedoch keine detaillierten Informationen zur Vermeidung der Leimphase. Das in der DE 197 53 389 A1 beschriebene Verfahren betrifft die Trocknung von Schlämmen jeglicher Art (darunter auch Klärschlamm) unter Zumischung einer reaktiven Komponente zur Verbesserung der Lagerfähigkeit.

Diese Erfindung verwendet vorhandene Wärmeenergie der Kläranlagen und fördert sie in einen offenen Trommelmischer (Betonmischer). Als vorhandene Energie gibt es auf der Kläranlage Abwärme durch die Gebläseverdichter, BHKW-Anlagen oder direkte Nutzung des Gasanfalles. Bei einer Kläranlage mit Belebschlammverfahren benötigt man Sauerstoff für das Belebungsbecken um die Schmutzstoffe abzubauen. Dieser Sauerstoff wird mit einem oder mehreren Gebläsen in das Belebungsbecken gefördert. Bei diesem Verdichtungsprozess entsteht Wärme in der Luftleitung von ca 108°C (abhängig von Anzahl und Drehzahl der Gebläse). Zusätzlich entsteht Abwärme im Gebläseraum.

Die Nutzung der Wärme aus der Luftleitung geschieht mit einem Plattenwärmetauscher. Der Plattenwärmetauscher besteht aus vier Tauschermodulen die in ein Edelstahlgehäuse mit zwei angeformten Kanalanschlussflanschen eingeschweißt sind. Jedes Tauschermodul besteht aus hundertdreiundsiebzig mit einer speziellen Prägestruktur-versehenen Edelstahlplatten, sowie einer dickeren Endplatte und einer dickeren Anschlussplatte mit zwei angelöteten Rundrohr-Anschweissenden. Die aufgeschichtete und zusammengepresste Einheit wird mit reinem Kupfer in einem Vakuumofen hartgelötet. Der Primär-Luftstrom (Belebungsbecken-Zuluft) wird vierfach aufgeteilt und durch einen der beiden angelöteten Rundrohranschlußstutzen in das Wärmetauschermodul hinein, im Wärmetauscher umgelenkt und durch den zweiten Rundrohranschluß wieder herausgelenkt und zusammengeführt. In diesem Falle sind es vier Module mit je zwei Rundrohranschlussen. Bedingt durch die spezielle Prägestruktur der Tauscherplatten werden hervorragende Wärmeübertragungswerte erreicht. Ferner ergibt sich bei der Hartverlötung eine Struktur mit vielen Lötpunkten die dazu führen, dass eine enorme Druckfestigkeit erreicht wird. Der Sekundär-Luftstrom (Klärschlammtrockner-Zuluft) wird quer zum Primär-Luftstrom durch die Module, (zwei in einer Reihe und zwei parallel) die in einem Edelstahlgehäuse angeordnet sind, hindurchgeführt und dabei vom Primär-Luftstrom erwärmt. Eine Vermischung von Sekundär- und Primärluftstrom ist dabei ausgeschlossen. Das Edelstahlgehäuse hat zwei angeformte Kanalanschlussflansche, an die der Luftkanal für die Klärschlammtrockner-Zuluft angeschlossen werden kann. Diese Warmluft (Sekundär-Zuluft) wird kontinuierlich in den Trommelmischer eingeblasen.

Zur Entwässerung des Klärschlamms gibt es drei Verfahren: (Siebbandpresse, Kammerfilterpresse und Zentrifuge). Der entwässerte Klärschlamm mit einem Trockensubstanzgehalt von 12% bis 35% wird mit einem Fördersystem in den Trockenmischer eingefüllt. Das Problem beim Trommeltrockner besteht darin, dass durch die klebrige Eigenschaft des Klärschlamms bei kontinuierlicher Drehung des Trommeltrockners sich dadurch immer grössere Schlammbälle bilden, die ein gutes Trocknungsergebnis verhindern. Das bedeutet, das Befüllen und das Drehen des Trommeltrockners muss nach einem ganz bestimmten Ablauf erfolgen. Dieses Problem wird mit dieser Erfindung gelöst. Nach dem Befüllen mit Schlamm wird der Trommeltrockner nur eine bestimmte Zeit (angepaßst an die spezifischen Eigenschaften der verschiedenen Klärschlämme) in Rotation gebracht. Dann beginnt eine spezielle ermittelte Pausenzeit für die Rotation. Die Warmluft wird jedoch weiterhin kontinuierlich eingeblasen. In dieser Pausenzeit bildet die Körnung des Klärschlammes eine trockene Oberfläche. Dadurch wird das Zusammenbacken zu großen Schlammbällen verhindert.

Ist der gewünschte Trockensubstanzgehalt z.B. 90% erreicht, wird die Drehrichtung des Trommelmischers reversiert, und der getrocknete Klärschlamm wird herausgefördert. Herausragende Eigenschaften des neuen Trocknungskonzepts (Trocknungs-Anlage) für Klärschlamm:

  • – Die Energie ist in allen Kläranlagen vorhanden
  • – Die nicht genutzte Energie in den Kläranlagen kann durch dieses Trocknungskonzept verwendet werden
  • – geringe Investitionskosten
  • – optimale Trocknungsleistung unabhängig vom Wetter
  • – geringer Arbeits- und Wartungsaufwand
  • – kein zusätzliches Personal
  • – kein zusätzlicher Flächenbedarf
  • – homogene Produktqualität
  • – das Trocknungskonzept kann vollautomatisch betrieben werden
  • – keine zusätzlichen Gebäude oder Bauwerke
  • – wenig Energieverbrauch des Trockenmischers
  • – staubfreie Trocknung bis 90% TS
  • – keine Verleimung
  • – keine Ex-Anlage
  • – die Entleerung durch die Flügel des Mischers ist einfach

Dieses neue Trocknungskonzept (Trocknungsanlage) kann bei allen anfallenden Abfällen der Kläranlagen (Sandgut, Rechengut, usw.), Industrieschlämmen Aufbereitungsreststoffen, Schwimmstoffen und -schlämmen eingesetzt werden. Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

1 Gesamtdarstellung des Trockenkonzepts

2 Detaildarstellung der Energiegewinnung

3 Detaildarstellung der Trocknungsanlage

4 ein Schnitt quer zum Trommelmischer

1, 2, 3 und 4 zeigen die schematische Darstellung des neuen Trocknungskonzepts (Trocknungsanlage) für Klärschlamm. Jede Kläranlage mit Belebtschlammverfahren benötigt im Belebungsbecken 8 Sauerstoff, damit die Mikroorganismen die Schmutzstoffe abbauen können. Um diesen Sauerstoff in das

Belebungsbecken 8 einzublasen, besitzt die Kläranlage einen Gebläseraum 6, in dem je nach Größe der Anlage ein oder mehrere Gebläse 10 untergebracht sind. Die Gebläse 10 saugen die frische Aussenluft 9 an, verdichten diese und pressen sie durch ein Leitungssystem 11 in das Belebungsbecken 8. Bei diesem Verdichten und Reiben der Luft, erhitzt sich diese und es entsteht in der Luftleitung 11 eine Temperatur von 108°C bis zu 140°C (Anlagen sind Drehzahl abhängig). Durchschnittlich strömt 120°C heisse Luft 12 in der Luftleitung 11. In diese Luftleitung 11 wird ein Kreuzstromwärmetauscher 7 eingebaut. Der Wirkungsgrad des Wärmetauschers 7 liegt bei mindestens 60%. Dadurch beträgt die Temperatur der nutzbaren Heissluft 12 ca. 70°C. Die nutzbare Heissluft 12 wird mit einem regelbaren Gebläse 14 oder Ventilator 14 durch einen ausreichend dimensionierten Luftkanal (Luftleitung) 16 zum Trommelmischer (Betonmischer) 2 geleitet. Zusätzlich wird in diesen Luftkanal 16 die von den Gebläsen 10 erzeugte warme Raumluft 15 (30°C–40°C) aus dem Gebläseraum 6 eingeleitet. Der entwässerte Klärschlamm, mit einer Trockensubstanz (TS) bis zu 35%, wird nach der Entwässerungsmaschine 1 mit einer Förderschnecke 3 oder einem Förderband 3, in den Trockenmischer 2 mit angepasstem Inhalt eingebracht. Dazu wird nutzbare Heißluft 12 von oben in die Öffnung des Trockenmischers 2 eingeblasen. Dabei dreht sich der Trockenmischer 2 in Mischrichtung x nach einem abgestimmten Steuerungsprogramm. Das bedeutet, das Befüllen und das Drehen des Trommeltrockners 2 muss nach einem ganz bestimmten Ablauf erfolgen. Nach dem Befüllen mit Schlamm wird der Trommeltrockner 2 nur eine bestimmte Zeit (15 bis 180 Sekunden – angepasst an die spezifischen Eigenschaften der verschiedenen Klärschlämme) in Rotation gebracht. Dann beginnt eine speziell ermittelte Pausenzeit (15 bis 120 Minuten) für die Rotation, die Warmluft 12 wird jedoch weiterhin kontinuierlich eingeblasen. In dieser Pausenzeit bildet die Körnung des Klärschlammes eine trockene Oberfläche. Dadurch wird das Zusammenbacken (zu großen Schlammbällen) verhindert. Dadurch, dass der entwässerte Klärschlamm 17 in dem erwärmten Trockenmischer 2 kontinuierlich mit der Warmluft oder Trockenluft durchmischt wird, entweicht das Wasser aus dem Klärschlamm in Form von Wasserdampf 18, der mit Hilfe eines Ventilators 22 durch einen Filter 20 und einen Entfeuchter 21 wieder zurück in die Einfüllöffnung als Kreislauf geführt wird oder durch die Einfüllöffnung abzieht. Während der Entleerphase wird das Gewicht durch Messdosen 24 gemessen und der Trommelmischer 2 auf einem bestimmten Winkel alpha, beta eingestellt wird. Das Entleeren des getrockneten Klärschlamms 19 erfolgt einfach durch Ändern der Drehrichtung y durch Spiralbleche 23 in bereitgestellte Container 45.


Anspruch[de]
Verfahren zum Trocknen von Klärschlamm, bei dem der Klärschlamm in einem Trommelmischer durch die Einfüllöffnung mit Warmluft (Trockenluft) angeblasen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der feuchte Klärschlamm (TS 15%–35%) dem Trommelmischer durch die Einfüllöffnung intermittierend, oder kontinuierlich zugeführt wird, dass durch die Trommeldrehung und die in der Trommel eingebauten Spiralbleche der Klärschlamm horizontal und radial bewegt wird und dadurch mit der eingeblasenen Warmluft (Trockenluft) optimal in Berührung kommt, dass die Trocknungsluft durch die Einfüllöffnung eingeblasen wird und wieder entweicht, dass der leere Trommelmischer zuerst befüllt wird, dann unter Einblasen von Warmluft 15 bis 180 Sekunden in Rotation gebracht, die Rotation 15 bis 120 Minuten unter Beibehaltung des Einblasens von Warmluft unterbrochen und danach der Trommelmischer bis auf eine bestimmte Restmenge für die Vermischung mit der nächsten Befüllung mit feuchtem Klärschlamm entleert wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während der Befüllphase die Lage des Trommelmischers auf einen bestimmten Winkel eingestellt, während der Trockenphase der Trommelmischer in die horizontale Lage und während der Entleerphase wieder auf einen bestimmtem Winkel eingestellt wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während der Befüll-, Trocken- und Entleerphase im Trommelmischer über Druckmessdosen das Gewicht gemessen wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trockenluft durch Wärmetausch mit der für das Belebungsbecken bestimmten erhitzten Druckluft erwärmt wird. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetauscher direkt in die Leitung der Sauerstoffzuführung für die Belebung eingebaut wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenoberfläche des Trommelmischers eine schwarze Beschichtung aufweist. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während der Trockenphase durch eine hintere Öffnung im Trommelmischer Trockenluft über einen Absaugventilator, ein Filter und einen Entfeuchter im Kreislauf geführt wird.






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