Weltneuheit: FlashPhos Verfahren

Diese Seite befasst sich mit dem FlashPhos-Verfahren, der Problematik in der Klärschlamm-Verwertung sowie den Anwendungsgebieten und wirtschaftlichen Nutzen dieses Verfahrens. 

1. Das Problem mit dem Phosphat

In Mitteleuropa, insbesondere in der Schweiz, Deutschland, Benelux und Österreich, sowie in gewissen Regionen Nordamerikas , Chinas, Singapur, Malaysien und Japan, ist das Ausbringen von Klärschlamm in der Landwirtschaft aufgrund des organischen und anorganischen Schadstoffgehaltes zunehmend problematisch, bzw. unmöglich.

Die essentielle lebenswichtige natürliche Rohstoffquelle „Phosphat“ – beispielsweise Apatit – befindet sich in tw. problematischen Regionen und versiegt langsam aber sicher.

Dies äussert sich bereits in steigenden Preisen z.B. für elementaren Phosphor, Phosphonsäure , Phosphorsäure , Phosphorderivate (z.B. Hypophosphit, Phosphin, Phosphortrichlorid, Phosphoroxichlorid, Phosphorpentasulfid), Lebensmittelphosphate, Flammschutzmittel,Feuerfestmaterial, Insektizide, Herbizide und Phosphatdünger.

Als Folge davon ist das Mitverbrennen phosphathältiger Reststoffe wie Klärschlamm und Tiermehl z.B. in der Zementindustrie, in Müllverbrennungsanlagen und Kohlekraftwerke, nur noch befristet möglich. 

Beispielsweise enden die dafür vorgesehenen Übergangsfristen in der Schweiz und Deutschland 2026/2028. 

Viele F &E-Projekte , tw. auch EU geförderte , beschäftigen sich mit der Rückgewinnung des Phosphors/Phosphates primär aus kommunalen Klärschlämmen.

2. Das Problem mit dem Klärschlamm

Gängige Verfahren zur Rückgewinnung des Phosphors/Phosphates beruhen hauptsächlich auf nasschemischen und thermochemischen Aufschluss-Konzepten.

FlashPhos dürfte vergleichsweise das kostengünstigste und einfachste Verfahrenskonzept sein. FlashPhos liefert darüber hinaus einen signifikant positiven Effekt hinsichtlich CO2 – Einsparung und arbeitet praktisch rückstandsfrei, da die Restfraktionen als zementtechnologisch aktives Bindemittel anfällt.

CO2-Einsparung und rückstandsfreie Verarbeitung des Klärschlamms

Schwermetalle fallen konzentriert als Nebenfraktion an und sind in der Nichteisenmetallurgie verwertbar. Im Klärschlamm befindliche hochproblematische Mikrofasern/ Nanopartikel werden ebenfalls im Gegensatz zu den bereits bekannten Verfahren restlos zerstört. 

Ein wichtiges Thema, welches bereits heiß diskutiert wird. Eine Dioxin de nuovo -Synthese, aus der Wirbelschichtverbrennung bekannt, ist bei FlashPhos ausgeschlossen.

Bei FlashPhos ist die Dioxin-Synthese ausgeschlossen

FlashPhos kann daher als ein „Zero Waste“ Prozess bezeichnet werden . Darüber hinaus wird Deponievolumen eingespart und der Abbau von Zementrohmaterial (Kalkmergel) verringert. Der Einsatz weiterer Phosphatträger wie Stahlwerksschlacken, Bypass -Stäube (Zementindustrie) ist natürlich auch möglich und kann zur optimalen Schmelzebildung beitragen.

Die Rückgewinnung des Stickstoffträgers aus dem Klärschlamm ist möglich : durch Zufügen des nötigen Kalkträgers in den nassen Klärschlamm und dessen Erhitzung (Vorwärmung, Trocknung) entweicht dieser in Form von Ammoniak.

3. So funktioniert FlashPhos

Das FlashPhos -Konzept fusst auf den Erfahrungen und Erkenntnissen in den Bereichen Sekundärbrennstoffeinsatz bei der Zementklinkerherstellung, dem metallurgischen RecoDust -und Flashmelter-Prozessen und stellt eine unabhängige Weiterentwicklung des EU geförderten RecoPhos – Verfahrens ( siehe z.B. auch die Patentschriften AT 411 363 vom 21.2.2002 sowie AT 413 283 vom 1.4.2004 sowie www.recophos.com ) dar. 

Insbesondere können nun auch organikabelastete Stäube explosionsrisikofrei prozessiert werden.

Potentiell interessant z.B. für mittelgrosse Klärwerke und Tiermehlerzeuger, Zementklinkerhersteller, Kalkwerke, schmelzmetallurgische Betriebe (z.B. Hochofen -, Schachtofenbetreiber, Glühofen), glaserzeugende Betriebe, chemische Industrie, BHKW, Biomassekraftwerke, Müllverbrennungsanlagen – Betreiber.

Das Ausgangsprodukt Klärschlamm (etwa 75%TS) oder Tiermehl oder eine Mischung von beiden wird mit Luft, bzw. sauerstoffangereicherter Luft – abhängig vom Heizwert der Ausgangsstoffe – in einer speziellen Brennerkonstruktion im kalten Zustand innig vermischt. Dieses Gemisch wird in eine etwa 1500°C heiße Brennkammer eingeblasen. Abhängig vom Mischungsverhältnis Klärschlamm/Sauerstoff kann das Redox -Potential der Brennkammer eingestellt werden. Die entsprechenden thermochemischen Reaktionen („Kinetik“ ) laufen in Bruchteilen einer Sekunde ab, voraus sich ein sehr günstiges, konkurrenzlos geringes Apparatevolumen („Raum – Zeit – Ausbeute“ ) ergibt. 

Naturgemäß wirkt sich dieser Umstand auch günstig auf die CAPEX und den Platzbedarf aus.

Bei reduzierendem Betrieb („FlashRed“) wird elementarer Phosphor mit dem Abgas ausgetragen , aus den anorganische Restbestandteile der Asche entsteht eine Schmelze mit guten zementtechnischen Eigenschaften. Der elementare Phosphor kann nach dem Stand der Technik aus dem Brennkammer Abgas gewonnen werden, bzw. auch als Phosphorsäure.

Bei oxidierendem Betrieb („FlashOx“) wird eine sehr reine phosphathältige Schmelze mit hohen Wertstoffpotential gewonnen, welche nach dem Stand der Technik einfach weiterverarbeitbar ist. Für den Marktwert dieser Phosphatschmelze ist deren Reinheit von ausschlaggebender Bedeutung. Aufgrund der hohen Brennkammertemperatur werden die Schadstoffe (z.B. Medikamentenrückstände, Mikrofasern/Nanopartikel, Hormone, Endokrine) zerstört, bzw. verflüchtig (z.B. Schwermetalle, Alkalien, Halogene) Schmelze und Abgas werden im Schlackensumpf getrennt.

Das exergetisch hochwertige Abgas kann z.B. im Zementklinkerprozess eingesetzt oder verstromt, bzw. zur Klärschlammtrocknung eingesetzt werden. Ein interessantes Einsatzgebiet des exergetisch hochwertigen Abgases ergibt sich beispielsweise auch durch die endotherme Vergasung von Altkunststoff zu Synthesegas („Chemische Quenche“). Die sauren Schadstoffe wie HCl oder SO2 können dabei durch Zugabe von Kalk gebunden und abgeschieden werden.

Das entstehende gereinigte Synthegas kann als sauberer Brennstoff im Zementprozess sowie beim Kalkbrennen verwertet und auch zur Entstickung (DeNOx) herangezogen werden . Ein weiterer interessanter Anwendungsfall ist beispielsweise der Einsatz von FlashPhos -Synthesegas zur Reduktion von Eisenerz/Feinerz/Konverterstäuben in der eisenschaffenden Industrie (Hochofen, Direktreduktion ).

Das erhaltene hochwertige Schmelzprodukt (reduzierend : Zement, oxidierend : Phosphat) wird kontinuierlich abgestochen und (optional unter Rückgewinnung der Schmelzwärme mit „Chem2Gran“) abgekühlt.

4. Geschäftsmodell FlashPhos und Zementherstellung

Die Zementindustrie verwendet bis anhin große Mengen von Klärschlamm und Tiermehl als Sekundärbrennstoff.

Man möchte dort weiterhin von der Wärmegewinnung für den Klinkerbrand profitieren, dabei geht allerdings Phosphor verloren. Darüber hinaus gilt Phosphor im Zement als schädliches Element. Vorgeschlagen wird daher die exergetisch hochwertige Abwärme des FlashPhos -Prozesses zur Kalzination von Rohmehl (Kalkmergel) einzusetzen .

Mit dem FlashPhos – Abgas gehen auch die verschiedenen Schadstoffe (Schwermetalle, Alkalien, Halogene, Schwefelverbindungen) in den Klinkerprozess – wie bisher. Die entsprechende Bilanz verändert sich daher nicht. Als entscheidender Vorteil dieses Konzeptes kann auf die teure Abgaskühlung und Abgasreinigung verzichtet werden.

Ausserdem besteht die nötige Infrastruktur wie Bewilligungen, Abnahmeverträge, Silos, Fördersysteme, etc. weitgehend. Die entstehende phosphathältige Schmelze wird unter Rückgewinnung der Schmelzenthalpie gekühlt und stellt ein wertvolles, vermarktungsfähiges Zwischenprodukt z.B. für die Nahrungsmittelindustrie, chem. Industrie oder als Düngemittelkomponente dar.

Die entstehende schadstofffreie Phosphatschlacke kann aber auch in eine zentrale „InduCarb“ -Anlage (Beschreibung siehe beispielsweise in der Patentschrift EP 1841 699 mit der Priorität vom 27.1.2005) gebracht werden und dort in hochreinen elementaren Phosphor, hochwertiges hydraulisches Bindemittel (aktives Zementadditiv, Betonzusatzstoff) und eine geringe Menge Roheisen umgewandelt werden . Die Abgasenergie
dieser InduCarb – Anlage kann mit Vorteil zur Vorwärmung des Eingangsstoffes verwendet werden.

Ein weiteres interessantes Synergiepotential mit der Zementindustrie besteht darin, die grossen Abgaswärmemengen der Klinkeröfen zur therm. Trocknung des Klärschlammes zu nutzen.

In Europa werden jährlich etwa 80.000 jato elementarer Phosphor in der chemischen Industrie verbraucht. Derzeit wird die Hauptmenge aus Kasachstan bezogen, da es in Europa keine Phosphaterze und keine Produktionsstätten für elementaren Phosphor gibt. Dies äussert sich in steigenden Marktpreisen für elementaren Phosphor.

Insgesamt ergibt sich damit ein optimaler Zero Waste Prozess mit vergleichsweise sehr geringen Investment und Produktionskosten sowie hohen Synergiepotential.

5. Wirtschaftliche Betrachtungen von FlashPhos

Die Produktionskosten der Phosphatschmelze (im Zementwerk) dürften bei 30 – 50 EUR/t liegen (Trockensubstanz Klärschlamm 75 % vorausgesetzt) . Der Marktpreis entsprechender Phosphat -Dünger liegt bei 250 – 300 EUR/t. 

Der Weltmarktpreis von Roh -Phosphat (Apatit) liegt derzeit (2018) bei ca. EUR 80/t. Derzeit werden weltweit und jährlich ca. 280 mio t Rohphosphat abgebaut. Diese Phosphatquelle zeigt steigende Verunreinigungen an Uran und Cadmium, neben erhöhten Gehalten auch an Seltenen Erden.

Der Gehalt an Fluorid vereinfacht die weitere Aufarbeitung natürlich auch nicht, das Nebenprodukt „Schlacke“ (grosse Mengen) der klassischen Phosphorgewinnung nach dem sogenannten Wöhler – Verfahren kann nur deponiert werden. Bei der klassischen nassen Phosphatgewinnung („Nassverfahren mittels Schwefelsäure“) fallen grosse Mengen an verunreinigtem Gips an, dieser hat allerdings nur ein stark eingeschränktes Anwendungspotential und stellt ebenfalls weitgehend eine Umweltbelastung dar.

Die Produktionskosten von elementarem Phosphor im FlashPhos -Verfahren dürften bei 1200 – 1500 EUR/t liegen, der Marktpreis liegt bei 2500 – 3000 EUR/t.

Etwa 80.000 jato P4 werden in Europa jährlich verbraucht.

Da es in Europa keinen Phosphor – Produzenten gibt, wird dieser aus Kasachstan und tw. aus China (!!) bezogen.

Eine teure und gefährliche Lieferlinie einer hochtoxischen und extrem brennbaren Substanz von über 5000 km typischerweise in wassergefüllten Kesselwagons ! 

Das stellt natürlich auch einen nicht unerheblichen Kostenfaktor dar.

6. Anwendungsbeispiel: Filterstaub-Veredelung

Grundsätzlich ist der FlashPhos – Reaktor in der Lage, industrielle Feinstäube in Wertstoffe umzuwandeln.

Beispielsweise werden Filterstäube aus der Metallurgie (Stahlwerksstäube) nach dem „RecoDust – Verfahren“ in eine marktgängige Zinkfraktion und in einen Eisenträger für die Zementindustrie oder eisenschaffende Industrie umgesetzt.

Der erste Patentschutz dafür besteht seit dem 21.2.2002 ( AT 411 363 ) und 1.4.2004 (AT 413 283) „Einrichtung und Verfahren zum Oxidieren, Reduzieren, Kalzinieren, Sintern oder Schmelzen von Stäuben“.

Eine wesentliche Grundlage auch für das FlashPhos – Verfahren.

7. Patentschutz FlashPhos Verfahren

Das Konzept von FlashPhos konnte durch 2 grundlegende Basispatente abgesichert sowie der internationale Patentschutz erfolgreich eingeleitet werden. Patentinhaber ist die RadMat AG, Luzern, Schweiz.

8. Innovationspreise

Die Entwicklung dieser weltweit neuen Technologie wurde durch mehrere Innovationspreise ausgezeichnet