ENERGIA TERMELÉS A KOMMUNÁLIS SZENNYVÍZ ISZAP SZÁRÍTÁSÁVAL ÉS ELÉGETÉSÉVEL DR. HABIL. RAISZ IVÁN, RAISZ IVÁN, DR. SÁNDORNÉ DR. RAISZ ILDIKÓ ENVIRO-PHARM Kft. H-3561 Felsőzsolca Gózon Lajos u. 4.
Szennyvíziszap Stratégia – feladatok és technikai megoldások Budapest 2015 szeptember 15
Összehasonlítottuk az alternatív szennyvíziszap kezelési eljárásokat környezeti hatásaik alapján. A leggyakrabban alkalmazott eljárások az égetés külső energia felhasználásával, mezőgazdasági alkalmazás a termőföldön való elhelyezéssel, vagy egyszerű lerakás. Az Életciklus Elemzési számítások alapján a leginkább kedvezőnek az előzetes szárítást követő elégetés. A napi keletkezett elővíztelenített iszapok mennyisége és szárazanyag tartalom alapján két eljárást fejlesztettünk ki: Több mint napi 25 m3 legalább 20% szárazanyag tartalmú iszap, villamos energia termeléssel, Kevesebb, mint napi 25 m3 legfeljebb 14-20% szárazanyag tartalmú iszap, komplex kezelése, csak saját energia felhasználásával.
A szennyvizek, szennyvíziszapok mezőgazdaságban történő felhasználásának szabályozására adták ki az 50/2001. (IV. 3.) korm. rendeletet (továbbiakban: rendelet), a szennyvizek és szennyvíziszapok mezőgazdasági felhasználásának és kezelésének szabályairól, amely harmonizál az Európai Közösségek következő jogszabályával: a Tanács 86/278/EGK. irányelve a környezet és különösen a talaj védelméről a szennyvíziszap mezőgazdasági felhasználásával kapcsolatban.
Az iszap fosszilis, vagy biomassza hulladékokkal együtt égetéssel ártalmatlanítva, az jelentős tüzelőanyag felhasználással jár és légszennyezés figyelhető meg.
Energetikai alkalmazás villamos energia fejlesztéssel Kifejlesztett eljárásunk lényege, hogy a centrifugálással, vagy más módon mintegy 20- 25% szárazanyag tartalomra feldúsított szennyvíziszapot egy új rendszerű, jelentősen megjavított hő- és komponens átadást biztosító csigás szárítóban megszárítjuk 95-99% száraz anyag tartalomra. Az így nyert 16-19 MJ/kg fűtőértékű száraz szennyvíziszappal tüzelő szerkezetben nagy nyomású gőzt előállítása történik, melyet nem kondenzációs gőzturbinában villamos energia előállítására használnak fel. A csökkent nyomású gőzzel felmelegítik az iszap tömeget, melyből a részben lehűlt füstgázokkal közvetlen érintkezéssel eltávolítják a nedvességet. Az előmelegítés fázisában az előszárító és szárító fokozatokban keletkezett sarjúgőzt használják fel az iszap felmelegítésére. Mint a későbbiekben látható, a napi iszapterhelés függvényében vagy gőzfejlesztéssel hasznosítjuk a száraz szennyvíziszap hőjét, vagy magát a füstgázt használjuk fel hőforrásként a szárítási folyamatban.
Kidolgozott eljárásunk lényege, hogy nem szükséges külső hőközlő anyag a nedvesség eltávolítására (az üzemindítás esetétől eltekintve), hanem a szárított szennyvíziszap elégetéskor nyert energiájának felhasználásával történő gőzfejlesztésen keresztül villamos energiát termel és a villamos energia termelés hulladék hőjét (65-75%) használjak fel új összeállítású szárító rendszerben a szennyvíziszap nedvesség tartalmának eltávolítására. Üzemindítási hőközlésre gáz, vagy aprított biomassza égőket lehet használni, tekintettel a kisebb beruházási és működési költségre.
A nagy nedvesség tartalmú szennyvíziszapot olyan tengely nélküli (porszerű anyagok szállítására használt) csigás szállító rendszerrel továbbítjuk a köpenyen keresztül fűtő közeggel ellenáramban, melynek külső, speciális kialakítású köpenye van. A köpenyben kondenzálódó (gőzturbinából kilépő, illetve a szárítólevegőt telítő) vízgőz nagy hatásfokkal adja át hőenergiáját a vele szemben szállított és a csiga mozgása révén intenzíven a fal mentén és radiálisan egyaránt mozgó iszapnak. Az iszap mozgási irányával azonosan a szállító rendszer belsejében áramoltatjuk azt a szárító gáz mennyiséget, mely a hőmérséklet gradiens eredményeként egyre melegebb lesz és az iszap egyensúlyi hőmérsékletén egyre magasabb nedvességtartalmú. Alkalmas módon beállítjuk a szárító gáz mennyiségének megfelelően az iszap térkitöltési hányadát. Az állandóan bolygatott felület segíti a szárító gáz vízgőzzel történő telítésének rövid idejét és a magas hatékonyságot.
A folyamatban, a szárítandó anyag áramlási irányában nő a hőmérséklet, az ezzel azonos irányban áramló szárító közeg mindig az egyre növekvő hőmérsékletnek megfelelő telítési koncentráció közelében tartalmazza a nedvességet, így kisebb szárító közeg árammal is jelentős nedvesség eltávolítás érhető el. Az egyensúlyi gőznyomástól való távolság a komponensátadás hajtóerejét növeli, mint arra az 1. ábra adatai világosan rámutatnak. Ennek előnye a szárító közeg káros komponensektől való megtisztítása során a szükséges berendezések csökkent méretében és üzemeltetési költségében jelentkezik. A csigával történő szilárd fázis továbbítása annak folyamatos keveredését, így a hőátadó fémfelületnél nagyobb hőátadást, a szárítást elősegítendően pedig a szárító gázzal érintkező állandóan bolygatott, nedvességben dúsabb felületet eredményez.
1 kg levegő által elszállított vízgőz egyensúlyban az iszap hőmérséklet függvényében Elszállított vízgőz, kg
1,6
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0 0
10
20
30
40
50
60
70
Hőmérséklet, °C
80
1. ábra. Hajtóerő hőmérséklet függése
90
100
A szárítási folyamatot kaszkádban hajtjuk végre, így a víztartalom eltávolításakor keletkező gőz ismét alkalmas alacsonyabb hőmérsékleten a kondenzációs hő tartalmat hasznosítani. Az alkalmazott levegő (esetleg füstgáz) szárítógázként gőzt vesz fel, melyből a víz kondenzálódva már jelentős mennyiségű gázhalmazállapotú szennyezőtől megszabadítja. Töltetes toronyban tisztított szennyvízzel további mosást hajtunk végre. A mosó és kondenzálódó folyadékot a szennyvíztisztítóba visszavezetjük. A 95-99% szárazanyag tartalmú szárított iszap 16-19 MJ/kg fűtőértékkel rendelkezik. Napi 20 m3 25% szárazanyag tartalmú iszap felhasználásakor folyamatos üzemben 220 kWh villamos teljesítmény nyerhető és 57 GJ/nap hőenergia használható fel a nedvesség eltávolításra, mely több mint elegendő a kaszkád szárítási folyamathoz.
2. ábra. Technológiai folyamatábra.
Csökkentett méretű rendszer 10 000-25 000 LE kapacitásokra Kísérleti célra szállítócsigás rendszer átalakított változatát használtuk fel. Kettős köpeny kialakítással közvetett füstgáz fűtési lehetőséget alakítottunk ki, mely egyen- és ellenáramban dolgozhat és nem igényli a gőzfejlesztést, elkerülve a kondenzálódó fűtőgőz elvezetése miatti költségesebb rendszer kialakítását.. A szárító levegő direkt bevezetésével is megteremtettük a szárítás lehetőségét. Mértük a felhasznált füstgáz energiatartalmát, valamint a szárításra bevezetett anyag és a termék tömegét is. Minden minta száraz anyag tartalmát meghatároztuk.
A szállító rendszer átalakításával változtatni tudtuk a szállító rendszer térkitöltését, azt a szabad légtérhányadot, mely lehetővé tette a szárító levegő áthaladását és így vízgőz felvételét. A rendszer 3 fő részből áll: Előszárító: belépő iszap száraz anyag tartalma 20%, kilépő 38%. Diffúziós tag: az anyag szemcsék belsejében található nedvesség felületre diffundálását segíti 1 óra tartózkodási idővel, lassú keverés mellett. Végszárító: belépő iszap száraz anyag tartalma 38%, kilépő 90%.
Alkalmas kommunális és ipari szennyvizek iszapjának szárítására 20% szárazanyag tartalomtól. A Száraz anyag hamu tartalma maximum30% lehet. A centrifugált, vagy nyomószűrőn előkezelt iszap kerül be a rendszerbe szabályozott tömegáramban. A szárító egységekben csigás továbbítással a vele azonos irányban haladó levegő viszi el a nedvességet. A hő közlés a csigás rendszer köpenyfűtésével valósul meg, ellenáramban az iszappal. A szárító levegő így együtt melegszik az iszappal, és az iszap hőmérsékletének megfelelő lesz az egyensúlyi vízgőz tenzió a levegőben végig a csiga mentén, ez a hatékony szárítás alapja. A diffúziós tag segítségével sikerült a végszárító hosszát minimalizálni, mert a szemcsék belsejében megkötött víz a felszín közelébe diffundált az adott hőmérséklet, csekély légáram és a csigában tartózkodás idejének háromszoros tartózkodási idő alatt.
A megszárított (90-96% nedvesség tartalmú) iszap fűtőértéke a sajószentpéteri szennyvíztisztító iszapjával (2500 m3/nap szennyvíz feldolgozás) 18,8 MJ/kg volt. Évi 1000 tonna 20% nedvességtartalmú iszapra méreteztük a rendszert, mely mintegy 140 kg/h szennyvíz iszap betáplálással 30 kg/h száraz iszapot eredményez. Ennek csigás betáplálású égetőben történő eltüzelése biztosítja a szárításhoz szükséges hőmennyiséget. A szárítási folyamat modellezése során hőforrásként PB gázt használtunk, melynek hő áramát a változó iszap nedvességtartalomhoz optimalizáltuk. A rendszer megfelelő mérő és szabályozó rendszerrel van ellátva. A 4. ábrán jól látható, hogy ebben a rendszerben a termék nedvesség tartalma az üzemi paraméterek függvényében jól kézben tartható.
Füstgáz
Hőmérséklet
Nedvesség tartalom Nedvességg
Iszap
Levegő
Relativ hossz 4. ábra. A rendszerben áramló fluidumok paraméterei a reaktor relatív hosszának függvényében.
Jelenleg 10 kg/h betáplálású rendszerünk működik váltogatva előszárító, illetve utószárító üzemmódban, a prototípus a fenti adatokkal beüzemelés alatt van. Szennyvíztelepi használatra 5 napos folyamatos üzemviteleket tartunk célszerűnek. Konzervgyári alkalmazásnál a szekunder iszapok nedvesség csökkentés utáni maximális tömegáramára célszerű méretezni. A kommunális szennyvíziszap analitikai vizsgálatai szerint (FP7 EU programban, projektvezető ETIA, Franciaország) az elégetés utáni hamu inert hulladéknak minősül. A beruházási és üzemelési költségek jelentős csökkentése érdekében a rendszerünket nem csak bioszén pirolitikus előállítására használhatjuk fel (lásd FP7 program), hanem közvetlenül a foszfor-pentoxidban és káliumban gazdag égetési maradék mezőgazdasági felhasználásával, valamint a szárító levegő által az iszapból elszállított vízgőz (sarjúgőz) hőcserélőben történő felhasználásával 100-120 kg/h gőz kondenzációs hőjét visszük vissza a rendszerbe.
A rendszer egyszerűsített folyamatábráját az 5. ábrán mutatjuk be. A rendszer indításakor a prototípus kapacitás tartományában 20 perc felfűtési idő alatt 3 kg PB gáz felhasználás történik. A termelt 90-95% szárazanyag tartalmú iszap fűtőértéke mintegy 20-25 %-al magasabb mint a szárítási folyamat hőigénye (ez a feladott elővíztelenített iszap szárazanyag tartalmától függ), ebből félre lehet tenni a későbbi PB gáz felhasználás helyettesítésére.
BAT megállapítások a tervezett technológiára A Környezetvédelmi és Vízügyi Minisztérium (KvVM) megbízásából készült Útmutatót (a hulladékégetők környezetvédelmi jellegű engedé1yezési e1járásai során az elérhető legjobb technikák meghatározásához) használtuk fel a környezetvédelmi hatások elemzéséhez (H1). 1. A szennyvíziszap és összetétele I. A szennyvíziszap összetétele számos tényező függvénye, II.rendszerkapcsolatok, pl. a szennyvíziszapba kerülő ipari hulladék megnövelheti a nehézfémtartalmat III.a szennyvízkezelés során elvégzett műveletek, pl. csak mechanikai szűrés, anaerob iszaprothasztás. aerob iszaprothasztás, vegyi anyagok hozzáadása IV.időjárás/évszak. pl. az esővíz felhígíthatja a szennyvíziszapot
2. Megállapítások a technológiára A szennyvíziszapok égetése során különösen fontos az alábbi lényezők figyelembe vétele: szárazanyag-tartalom (jellemzően 10% és 45% között mozog, és jelentős kihatása van az égetési folyamatra) I. Történt-e rothasztás II. Mész, mészkő és egyéb kondicionáló anyagok jelenléte a szennyvíziszapban III.Az iszap összetétele aszerint. hogy primer iszapról, szekunder iszapról, vagy bioiszapról van szó IV.Bűzproblémák, különösen a tárolóba történő ürítés során Ennek megfelelően a 25% száraz anyag tartalmat biztosító ülepítési, centrifugáló előkészítő folyamaton kívül semmilyen előkezelési művelet nem szükséges, azok csak az energia tartalom eltékozlását eredményezik.
Ellenőrző lista szennyvíz iszap kezeléshez. Szenny víziszap
Időszakos mintavétel és analízis kulcsfontosságú anyagokra és tulajdonságokra, Kemény anyagok eltávolításának ellenőrzése szivattyús szállítás, víztelenítés, szárítás előtt, A folyamat ellenőrzése az iszap tulajdonságainak változásaihoz.
Az alkalmazásra kerülő szennyvíziszap fajtájának rögzítése (nyers, rothasztott, oxidált, stb.) hozzátartozó technológiai paraméterekkel.
KÖSZÖNÖM SZÍVES FIGYELMÜKET!
Szennyvíziszap Stratégia – feladatok és technikai megoldások
