Der Anlagenbauer Concord Blue Engineering bietet seit ca. 20 Jahren schlüsselfertige waste-to-hydrogen (w2h) Anlagen an. Diese erzeugen CO2-freien Wasserstoff aus Abfällen und Biomasse. Der patentierte Reformer (CBR) nutzt ein Verfahren auf Basis des Wasserdampfreformings. Dabei können zahlreiche Arten von Biomasse oder Abfällen unter Ausschluss von Sauerstoff in ein wasserstoffreiches Synthesegas umgewandelt werden.

Der verwendete Reformierungsprozess besteht aus zwei Stufen: einer Thermolyse-Einheit und dem Reformer (Bild 1). Die gestufte Reformierung wandelt Feststoffe in Gase um. Diese können sowohl zur Herstellung von Chemierohstoffen als auch zur Erzeugung von thermischer und elektrischer Energie genutzt werden. Der Schwerpunkt liegt derzeit auf der Gewinnung von hochreinem Wasserstoff. Das deutsche Unternehmen hat bereits zehn dieser Anlagen weltweit errichtet. Sie stehen in Japan, Indien, den USA und Deutschland.

Bild 1: Der zweistufige Prozess des Concord Blue Reformer (© Concord Blue)

Vom Abfall zum Rohstoff

Der verwendete Abfall wird in der ersten Stufe, der Thermolyse-Einheit, in ein Gas und einen Koks zersetzt. Das Thermolyse-Gas strömt in die zweite Stufe des CBR-Prozesses, den sogenannten Reformer. Dort reagiert es bei hohen Temperaturen mit dem separat zugeführten Wasserdampf zu einem wasserstoff- und heizwertreichen Produktgas. Der Thermolyse-Koks wird in einer Feuerung, dem sogenannten Vor-Erhitzer, verbrannt.

Das dabei entstehende Rauchgas heizt ein Wärmeträgermaterial auf. Dieses stellt die Energie für den gesamten Prozess zur Verfügung. Beim Durchlaufen der Anlage kühlt sich das Trägermaterial ab. Anschließend kann es dem Vor-Erhitzer erneut zugeführt und wieder aufgeheizt werden.

Grüner Wasserstoff aus Biomasse

Bei der Verwendung von Abfällen kommen von den unterschiedlichen Fraktionen nur die biogenen Anteile zum Einsatz. Nur diese und Biomasse können zur Erzeugung von grünem Wasserstoff genutzt werden. Die Reststoffe tragen auch verschiedene Schadstoffe – so z. B. Chlor, Schwe

Tabelle 1: Geforderte Grenzwerte nach Anhang 47 Feuerungsanlagen (AbwV)

fel oder Schwermetalle – in den Prozess ein. Einige dieser verbleiben im Feststoff und können zusammen mit der Asche aus der Feuerung entsorgt werden.

Der Großteil der Schadstoffe gelangt jedoch mit dem Produktgas aus dem Reformer hinaus. In mehreren Waschstufen wird das Gas anschließend gereinigt. Dadurch gelangen die Schadstoffe in das Waschwasser. Etwa 70 % dieses Wassers kann der Reformer nach einer Aufbereitung wieder für den Prozess nutzen. Nur ein Teilstrom des Abwassers muss abgeleitet werden.

Aufbereitung des schadstoffhaltigen Abwassers

Vor der Ableitung in die Kanalisation muss das Abwasser aufbereitet werden. Nur so lassen sich die in Tabelle 1 geforderten Grenzwerte nach Anhang 47 Feuerungsanlagen (AbwV) [1] einhalten. Die Abwasserreinigung orientiert sich nicht nur an den gesetzlichen Vorgaben, sondern erfüllt auch die Anforderungen der besten verfügbaren Technik (BVT) [2] auf diesem Gebiet der Abwasserreinigung. bei den wesentlichen Schadstoffen, die aus dem Abwasser der CBR-Anlage zu entfernen sind, handelt es sich um:

• Schwermetalle
• Sulfide, Fluoride
• Feststoffpartikel
• Kohlenwasserstoffe (Teere)

Letztere reduziert der Reformer bereits stark. Eine Hochtemperaturstufe nach dem Reformer zersetzt den Großteil der verbliebenen Kohlenwasserstoff-Verbindungen.

Schadstoffe variieren je nach Abfall

Die prognostizierten Schadstoff-Gehalte variieren je nach eingesetzter Abfallart. Die Angaben beruhen auf theoretischen Ableitungen aufgrund der Abfall-Zusammensetzung, die mit Erfahrungswerten aus Pilotversuchen abgeglichen wurden.  Tabelle 1 gibt einen Überblick über das zu erwartende Schadstoff-Inventar. Ein Abgleich des Inventars mit den einzuhaltenden Indirekteinleiter-Grenzwerten zeigt, dass eine einstufige chemisch-physikalische Fällung in diesem Fall nicht ausreicht.

Dies bestätigt auch ein Blick in Tabelle 2 [3]. Unterschiedliche Fällungs-pH-Werte und Rücklösungen von Schwermetallen sind zu erwarten. Deswegen ist eine mehrstufige Behandlungsstrategie erforderlich, nicht zuletzt auch, um die niedrigen Grenzwerte einzuhalten. Dabei ist auch die Reihenfolge der Behandlungsschritte essenziell, um nicht unnötig viele Chemikalien für pH-Wert Anpassungen zu verbrauchen.

Bild 2: Vereinfachte, modular aufgebaute Behandlungsstrategie (© BWS)

Modulare Abwasserbehandlung

Bild 2 enthält eine vereinfachte Darstellung über die modular aufgebaute Behandlungsstrategie. Vor dem ersten Behandlungsschritt sind eine Pufferung und Kühlung notwendig. Diese gleichen Schwankungen im Zulauf aus und senken die Temperatur des bis zu 60 °C heißen Abwassers. Der erste Schritt ist eine chemisch-physikalische Behandlung. Sie soll den pH-Wert zur Schwermetall-Fällung anheben. Nach der Abtrennung des entstehenden Fällschlamms scheidet ein selektiver Ionenaustauscher zunächst Quecksilber und anschließend verbliebene Schwermetalle ab. Der nächste Schritt entfernt Fluorid und Arsen aus dem Abwasser. Die letzte Stufe ist eine Aktivkohle-Filtration, die organische Stoffe entfernt. Nach der Endkontrolle kann das behandelte Abwasser in den Kanal eingeleitet werden.

Der bei der Behandlung anfallende Fällschlamm wird gemeinsam mit den Schlämmen aus der Regeneration der Ionenaustauscher der Schlammentwässerung zugeführt. Die Ionenaustauscher für Schwermetalle und Fluorid können vor Ort regeneriert werden. Der quecksilberselektive Ionenaustauscher und der Arsen-Adsorber hingegen sind nach Beladung zu tauschen und zu entsorgen. Bild 3 zeigt ein Aufstellungskonzept für die modular aufgebaute Abwasseranlage. Wenn sich die Zusammensetzung der Biomasse und somit auch die zu behandelnden Schadstoffe verändern, können einzelne Behandlungsstufen entfallen oder ergänzt werden.

Literatur

[1] BGBl. I 2022, 93 – 94.Verordnung über Anforderungen an das Einleiten von Abwasser in Gewässer (Abwasserverordnung – AbwV). Anhang 47 Feuerungsanlagen. Bundesamt für Justiz. Online. [https://www.gesetze-im-internet.de/abwv/anhang_47. html] Besuch am 6.9.2024.
[2] Industrieemissionsrichtlinie. Beste verfügbare Techniken. BVT-Merkblätter. Download der BVT-Merkblätter und Durchführungsbeschlüsse. Umweltbundesamt. Online. [https:// www.umweltbundesamt.de/themen/wirtschaft-konsum/ beste-verfuegbare-techniken/sevilla-prozess/bvt merkblaetterdurchfuehrungsbeschluesse] Besuch am 6.9.2024.
[3] Dietrich, G.: Hartinger Handbuch. Abwasser- und Recyclingtechnik. In: Carl Hanser Verlag. 3. Auflage, 10/2017.

Autoren

Herbert Bassek
Leiter Vertrieb
BWS Anlagenbau & Service GmbH
Neckarstraße 1
78727 Oberndorf am Neckar
Kontakt: herbert.bassek@bws-water.com

Simon Steidinger
Projektierung / Kalkulation
BWS Anlagenbau & Service GmbH
Neckarstraße 1
78727 Oberndorf am Neckar

Christopher Thannhäuser
Geschäftsführer
Concord Blue Engineering GmbH
Königsallee 6-8
40212 Düsseldorf

(Erstveröffentlichung in: F & S, Filtrieren und Separieren 05/2024)