Projekt 17137/01

Schließung von Wasserkreisläufen in der Kalksandsteinproduktion durch Nutzung einer Rektifikationsanlage

Projektträger

elementis consult Ingenieur GmbH
Altenkesseler Str. 17/B4
66115 Saarbrücken
Telefon: 0681/9762-241

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Im Rahmen eines Pilotvorhabens sollte erarbeitet werden, wie mit Hilfe einer Rektifikationsanlage und einer biologischen Reinigungsanlage der Wasserkreislauf in einem Kalksandsteinwerk weitgehend oder gänzlich geschlossen werden kann. Dabei hat die Rektifikationsanlage die Aufgabe, das bei der Produktion anfallende Härtekesselkondensat und das Brunnenwasser, das zum Ausgleich der Verluste eingesetzt wird, zu Kesselspeisewasser aufzubereiten. Das anfallende Konzentrat ist in einer biologischen Behandlungsanlage so aufzubereiten, dass es als Mischwasser in der Produktion wieder eingesetzt werden kann.
Ein thermisches Verfahren zur Behandlung des Abwassers im Kreislauf wurde gewählt, weil das Härtekesselkondensat bei seinem Austritt aus dem Härtekessel eine Temperatur um 90°C aufweist. Wird dieses hohe Temperaturniveau konsequent genutzt, so führt dieses zu einer Verminderung des Energieeinsatzes bei der Erzeugung von Dampf. Die im Härtekesselkondensat enthaltene Energie und die Energie des Abdampfs werden konsequent für die Abwasserbehandlung genutzt, so dass die Energiebilanz des Werkes verbessert wird. Eine weitere Verbesserung der Energiebilanz beruht darauf, dass die Leistungsfähigkeit des Dampfkessels durch die vorgeschaltete thermische Behandlung und die erheblich reduzierte Abschlämmrate erhöht wird. Der Primärenergieeinsatz und die CO2-Emission werden dadurch vermindert. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass auch die Frischwasseraufbereitung mit dem thermischen Verfahren erfolgt. Dadurch entfällt die Regeneration der Ionenaustauschanlagen und die Salzableitung in die Gewässer wird unterbunden. Durch die Einführung des Kreislaufes wird der Grundwasserverbrauch vermindert. Dadurch, dass das biologisch behandelte Abwasser wieder als Wasser in der Mischerei eingesetzt wird, entfällt ein zusätzlicher Wasserverbraucher. Der bei der biologischen Reinigung entstehende Klärschlamm wird in dem Produkt als Zuschlagsstoff wieder verwendet. Diese Zugabe des Klärschlammes als Zuschlagsstoff wurde im Rahmen des von der DBU geförderten Projekts (DBU-Az 07929) positiv erprobt.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenFolgende Arbeitsschritte wurden im Rahmen des Pilotvorhabens durchgeführt:
1. Versuche im Labormaßstab zur Auswahl des geeigneten thermischen Verfahrens und zur Festlegung der Betriebsparameter für eine halbtechnische Anlage.
2. Erprobung einer halbtechnischen Anlage unter realen Bedingungen in einem Kalksandsteinwerk.
3. Konzeption einer großtechnischen Anlage unter Verwendung der Ergebnisse aus 1 und 2 und Diskussion der Ergebnisse hinsichtlich ökonomischer und ökologischer Auswirkung.


Ergebnisse und Diskussion

In Vorversuchen in einer Laborrektifikationsanlage und einer Laboreindampfanlage mit Härtekesselkondensat und Brunnenwasser aus einem Kalksandsteinwerk wurde von dem Institut für Umweltverfahrenstechnik, Universität Bremen, herausgearbeitet, dass als thermisches Wasseraufbereitungsverfahren zur Kreislaufschließung eines Kalksandsteinwerkes nicht die Rektifikationsanlage das Verfahren der Wahl ist, sondern eine Eindampfung bei einem Druck von ca. 200 mbar und einer Temperatur von 60°C.
In den Laborversuchen konnte nachgewiesen werden, dass besonders die im Dampfkessel störenden Stoffe durch die vorgenannte Verfahrenstechnik aus dem Kreislaufwasser entfernt werden und daher das Destillat der Verdampferanlage als Kesselspeisewasser gut geeignet ist.
Die Ergebnisse aus den Laborversuchen wurden in eine halbtechnischen Anlage übertragen. Ein Brüdenverdampfer, der mit 200mbar Druck arbeitet, wurde als Teilstromanlage in dem Kalksandsteinwerk Greven installiert und über mehrere Wochen stabil betrieben. Mit dieser Anlage konnten die Ergebnisse der Laborversuche bestätigt werden und es wurden die Parameter für die großtechnische Anlage erarbeitet. Als wesentliches Ergebnis ist darzustellen, dass das Destillat als Kesselspeisewasser einsetzbar ist. Die organischen Verunreinigungen sind in dem Destillat weitgehend entfernt. Größere Gehalte an Stickstoff sind im Destillat noch zu finden; die Dampfkessel störende Fraktion des Stickstoffs geht jedoch nicht in das Destillat über, sondern verbleibt im Konzentrat. Die Ausbeute der Brüdenverdichteranlage zeigt einen Destillatfluss von 90% und einen Konzentratanfall von 10%. Das Konzentrat hat ein BSB- zu CSB-Verhältnis von 0,75. Es ist biologisch gut abbaubar. Aufgrund des Kohlenstoff- zu Stickstoffverhältnis ist eine weitgehende Stickstoffelimination möglich. Im biologisch gereinigten Konzentrat verbleiben nur schwer flüchtige Stoffe, die durch den Einsatz als Anmachwasser in der Mischerei eines Kalksandsteinwerkes wieder in den Stoffkreislauf eingebunden werden.
Die Wasserverluste, die im Rahmen der Produktion und durch die Konzentratausschleusung entstehen, wurden durch Brunnenwasser mit großer Härte ausgeglichen. Das Feed mit der entsprechenden Mischung von Härtekesselkondensat und Brunnenwasser verändert die zuvor genannten Ergebnisse nicht. Damit kann bei der Installation einer Verdampfanlage auf eine eigene Aufbereitungsanlage für das Frischwasser verzichtet werden. Eine großtechnische Anlage wurde auf der Basis der halbtechnischen Versuche konzipiert. Es zeigt sich, dass bei der Installation einer solchen Anlage im Vergleich zu einer herkömmlichen Verfahrenstechnik eines Kalksandsteinwerkes der Frischwasserverbrauch um 85% gesenkt werden kann. Die Salzemissionen in ein Gewässer werden vermindert. Der Energieverbrauch und damit die CO2-Emission vermindert sich um ca. 15%. Die Betriebskosten bei Installation einer Kreislaufführung mit Eindampfanlage sind ähnlich hoch wie bei einer konventionellen Wasseraufbereitung in einem Kalksandsteinwerk. Die Investitionen liegen allerdings deutlich höher als die üblichen Investitionen für die Wasseraufbereitung. Aus ökonomischer Sicht lässt sich deshalb die Installation einer thermischen Behandlung des Kreislauf- und Frischwassers in einem konventionellen Kalksandsteinwerk nicht vertre-ten. Wirtschaftlich wird eine thermische Behandlung des Kreislaufwassers erst dann interessant, wenn ein Werk 24 Stunden/Arbeitstag produziert und Trinkwasser aus dem Netz anstelle von Grundwasser aus eigenen Brunnen bezieht.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse des Vorhabens werden am 22.-24.09.2003 im Rahmen des GVC/ATV Abwasserkongresses in Bremen einem breiten Fachpublikum vorgestellt.


Fazit

Der Einsatz einer Verdampferanlage zur thermischen Aufbereitung von Frischwasser und Härtekesselkondensat eines Kalksandsteinwerks zu Kesselspeisewasser ist technisch möglich und unter Betriebsbedingungen mit einer geeigneten Verfahrenstechnik beherrschbar. Dies wurde sowohl in Laborversuchen als auch mit dem Betrieb einer halbtechnischen Versuchsanlage in einem Kalksandsteinwerk bestätigt. Auch beim Zusatz von Frischwasser mit hohen Härtegraden wird ein Destillat erzeugt, dass sich als Kesselspeisewasser eignet. Das aus der Verdampfung verbleibende Konzentrat kann nach einer Behandlung in einer biologischen Kläranlage in der Mischerei eines Kalksandsteinwerkes als Anmachwasser wieder eingesetzt werden. Die angestrebten ökologischen Ziele wurden mit dem Projekt erreicht. Durch Einsatz der Verdampferanlage zur Wasseraufbereitung lässt sich der Frischwasserverbrauch drastisch reduzieren. Durch den Verzicht auf Ionenaustauschertechnik wird die Salzemission in den Vorfluter um den Faktor 10 verringert. Auch der Verbrauch fossiler Brennstoffe und die CO2-Emissionen werden im Vergleich zu einer konventionellen Wasserführung reduziert. Problematisch sind die gegenüber einer herkömmlichen Wasserversorgung in der Kalksandsteinindustrie deutlich höheren Investkosten. Eine großtechnische Realisierung einer Anlage ist für ein größeres Kalksandsteinwerk mit einer durchgehenden Produktion von 24 Stunden am Tag wirtschaftlich vertretbar. Dies sollte in weiteren Vorhaben nachgewiesen werden, die auf den bisherigen Ergebnissen aufbauen.