Fermentor na anaerobní digesci

VŠB - Technická univerzita Ostrava Fakulta strojní Katedra výrobních strojů a konstruování

Fermentor na anaerobní digesci

Vedoucí diplomové práce: Prof. Ing. Josef Jurman, CSc. Student:

Jaroslav Michálek

Ostrava 2004

PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory Pro www.fineprint.cz

VŠB - TU Ostrava konstruování

Fakulta strojní Katedra výrobních strojů a Školní rok : 2003/2004

Zadání diplomové práce pro :

obor :

Jaroslava Michálka

Konstrukce strojů a zařízení

Název tématu : Fermentor pro anaerobní digesci

Zásady pro vypracování: Navrhněte pilotní zařízení pro anaerobní digesci fytomasy a komunálních odpadů

Zadané parametry : 1. objem fermentoru 2. doporučený průměr fermentoru 3. pracovní přetlak

0,2 m3 0,5 m l kPa Proveďte : 1. Rešerži technologií zpracování komunálních odpadů 2. Konstrukční návrh fermentoru, včetně nutných vstupů a výstupů pro následné analýzy 3. Potřebné kapacitní a pevnostní výpočty 4. Výkresovou dokumentaci


.

Rozsah grafických prací : 2 x Rozsah průvodní zprávy : 50-60 stran

Seznam odborné literatury : 1. Jeřábek, K.: Metodika navrhování strojů, l. vyd. Praha, Ediční středisko ČVUT Praha, 1999. 119 s. 2. Juchelková, D. -.Likvidace a využití odpadů, l. vyd. Ostrava, VŠB - TU Ostrava, 2000. 73 s. ISBN 80-7078-747-3 3. Kuraš, M.: Technologie zpracování odpadů. 1. vyd. Praha, Ediční středisko VŠCHT, 1993. 279 s. ISBN 80-7080-195-6 4. Obroučka, K.: Termické zneškodňování odpadu, l. vyd. Ostrava, VŠB - TU Ostrava, 1997. 144 s. ISBN 80-7078-505-5 5. Firemní literatura KPS, a.s. Moravské Budějovice 6. Straka, F.: Bioplyn. Příručka pro výuku, projekci a provoz bioplynových systémů. GAS, s.r.o. Říčany 2003. ISBN 80-7328-029-9 Vedoucí diplomové práce :

Prof. Ing. Josef Jurman, CSc.

Datum zadání diplomové práce :

31.10.2003

Termín odevzdání diplomové práce : 24.5.2004

V Ostravě dne: 31.10.2003


Prohlášení studenta Prohlašuji, že jsem byl seznámen s tím, že na moji diplomovou práci se plně vztahuje zákon č. 121/2000 Sb. - autorský zákon, zejména § 35 - užití díla v rámci občanských a náboženských obřadů, v rámci školních představení a užití díla školního a § 60 - školní dílo. Beru na vědomí, že Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava (dále jen VŠB -TUO) má právo nevýdělečně ke své vnitřní potřebě diplomovou práci užít (§ 35 odst. 3). Souhlasím s tím, že jeden výtisk diplomové práce bude uložen v Ústřední knihovně VŠB – TUO k prezenčnímu nahlédnutí a jeden výtisk bude uložen u vedoucího diplomové práce. Souhlasím s tím, že údaje o diplomové práci, obsažené v Záznamu o závěrečné práci, umístěném v příloze mé diplomové práce, budou zveřejněny v informačním systému VŠB - TUO. Bylo sjednáno, že s VŠB - TUO, v případě zájmu z její strany, uzavřu licenční smlouvu s oprávněním užít dílo v rozsahu § 12 odst. 4 autorského zákona. Dále bylo sjednáno, že užít své dílo - diplomovou práci nebo poskytnout licenci k jejímu využití mohu jen se souhlasem VŠB - TUO, která je oprávněna v takovém případě ode mne požadovat přiměřený příspěvek na úhradu nákladů, které byly VŠB -TUO na vytvoření díla vynaloženy (až do jejich skutečné výše). V Ostravě 21. 5. 2004

……………………………………… Plné jméno diplomanta

Adresa trvalého pobytu diplomanta: Fügnerova 30 Opava 5 747 05


ANOTACE DIPLOMOVÉ PRÁCE MICHÁLEK, J.

Fermentor pro anaerobní digesci, Ostrava: Katedra výrobních strojů a konstruování - 340 VŠB – TU, 2004, 80 s. Diplomová práce, vedoucí: Prof. Ing, Josef Jurman, CSc.

Cílem této diplomové práce je navrhnout model fermentoru pro anaerobní digesci biomasy a komunálních odpadů. Dále jsou uvedeny návrhové a kontrolní výpočty. Také jsem zdůraznil nutnost využití biomasy k energetickým účelům a v zemědělství. Nárůst využití biomasy u nás za poslední roky je však stále pomalý, neboť zde působí nepříznivě specifické ekonomické, informační a administrativní bariéry a přitom se jedná o metodu ekologickou, nezatěžující životní prostředí. Biomasa má neomezené perspektivy pro budoucí využití. V další části své diplomové práce jsem poukázal na rostoucí produkci odpadů, která je spojena se stoupající spotřebou lidské společnosti a proto je nezbytné zajistit odstranění vznikajícího odpadu způsobem, který zabezpečí trvalé zamezení škodlivých vlivů odpadů na jednotlivé složky životního prostředí.

ANNOTATION OF THE THESIS MICHÁLEK, J.

Fermenter for Anaerobic Digestion, Ostrava Department of Manufacturing Machines and Design - 340 VŠB – TU, 2004, 80 pages. Thesis, consultant: prof. ing. Josef Jurman, CSc.

The target of this thesis is to propose the model of the fermenter for anaerobic digestion of the biomass and municipal waste. Moreover, proposing and control calculations are mentioned. I have also emphasized the necessity to use the biomass for energy purposes in the agriculture. However, the increase in using biomass has been rather slow in the Czech Republic since there is a negative influence of specific economic, information, and administrative barriers in spite of the fact that it is an enviroment-friendly method. Biomass has got unlimited prospects for future use. In the following part of my thesis I have pointed out to the growing production of waste connected to the increasing consumption of the human society and therefore it is necessary to provide removal of the waste in the way which shall guarantee permanent prevention from harmful impacts of waste on particular components of the environment.


Obsah diplomové práce

Seznam použitého značení............................................................................................................................. 5 1 Úvod.............................................................................................................................................................6 2 Biomasa........................................................................................................................................................ 7 3 Skleníkový efekt......................................................................................................................................... 37 4 Odpady....................................................................................................................................................... 40 5 Komunální odpad.......................................................................................................................................44 6 Spalování odpadů ......................................................................................................................................52 7 Jiné způsoby tepelného zpracování odpadů...............................................................................................68 8 Přednosti a nevýhody spalování................................................................................................................. 71 9 Ekologické důsledky spalování odpadů.....................................................................................................73 10 Fyzikální a chemické zpracováni odpadů................................................................................................ 76 11 Kompostování .......................................................................................................................................... 86 12 Biodegradace............................................................................................................................................99 13-15. Konstrukční výpočty....................................................................................................................... 103 16 Závěr....................................................................................................................................................... 117 17 Seznam použitých pramenů................................................................................................................... 118 18 Přílohy.................................................................................................................................................... 119


Diplomová práce

Seznam použitého značení A

tabulkové konstanty

-

b

vzdálenost síly

C

konstanta

d

průměr míchadla

mm

d1

vnitřní průměr pláště

mm

d2

vnější průměr fermentory

mm

Eum

tabulková hodnota

FG

celková síla tíhy fermentory

N

F1lop

síla působící na jednu lopatku

N

Fx

síla v ose x

N

Fy

síla v ose y

N

g

gravitační zrychlení

m.s-2

h

šířka lopatkového kola

mm

J

počet podpěr

Jx

kvadratický moment průřezu

mm4

K

vypočtená konstanta

-

k3 , k 4

tabulkové součinitele

-

k

počet lopatek

-

l

výška lopatky

mm

Mk

kroutící moment

N.

M 1lop

kroutící moment na jednu lopatku

N.m

mB

hmotnost biomasy

kg

ml

hmotnost lopatek

kg

mm

hmotnost elektromotoru

kg

mh

hmotnost hřídele

kg

mv

hmotnost víka

kg

n

otáčky elektromotoru

s-1

p

počet pólů

-

P

potřebný výkon pro míchání

W

mm -

-

-

5 PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory Pro www.fineprint.cz

Diplomová práce Ps

navýšený výkon

W

Rem

tabulková hodnota

-

S

plocha svaru

mm2

S1l

plocha lopatky dle normy

m2

Sml

plocha navržené lopatky

m2

sn

jmenovitý skluz

-

Wk

modul průřezu v krutu

mm3

Wo

modul průřezu v ohybu

mm3

Wo1

modul průřezu v ohybu

mm3

α´

dovolený úhel naklopení ložisek

o

β

vypočítaný úhel naklopení ložisek

o

η

dynamická viskozita

Pa.s-1

ρ

hustota biomasy

kg.m-3

φ

tabulková konstanta

-

σo

dovolené napětí v ohybu

MPa

τ⊥

dovelené napětí kolmo působící

MPa

τs

dovolené napětí rovnoběžné působící

MPa

τs

celkové napětí ve svaru

MPa

ω

úhlová rychlost

rad.s

1 Úvod Veškerá výrobní i nevýrobní činnost dnešní společnosti je doprovázena vznikem odpadů. Nejen z hlediska ochrany životního prostředí, ale i z hlediska ekonomického se musí přihlížet k nejefektivnějšímu využití odpadů. Odpadové hospodářství se stalo novým technologickým odvětvím. Všechen odpad, který se nyní nazývá druhotnou surovinou, se stane hlavním zdrojem surovin. Svědčí o tom fakt, že jeden milion obyvatel žijící na ploše 10 000 km2, vyprodukuje za 10 let tolik odpadů, že na 1 km2 jejich obývané plochy připadne 1 kt komunálních odpadů, tedy jeden kg na 1 m2. V České republice zatím stále neexistuje jednotný systém evidence využívání obnovitelných zdrojů včetně biomasy. I když od ruku 1999 je možno zaznamenat jisté


Diplomová práce zlepšování situace s využíváním biomasy. Velmi výrazně se také projevuje potřeba odstraňování bariér, které dosud v České republice brání v rozvoji využívání biomasy a obnovitelných zdrojů energie jako celku. Za nejvýznamnější bariéru je nutné považovat nedostatek objektivních informací u státní správy, samosprávy i veřejnosti. Biomasa je vhodná převážně k výrobě bioplynu nebo jiných biopaliv. Zkonstruoval jsem fermentor na anaerobní digesci fytomasy. Fermentor je v horizontální poloze a je promícháván jedenkrát denně soustavou lopatek šroubovitě uložených na hřídeli. Hřídel je na pravé straně utěsněna ucpávkami a poháněna asynchronním elektromotorem a frekvenčním měničem pro změnu otáček. Otáčky jsou regulovatelné od 0 ot.min-1 po 30 ot .min-1. Využití biomasy má budoucnost v každé vyspělé a racionálně smýšlející společnosti. Věřím, že tomu bude tak i u nás.

2 Biomasa Je definována jako hmota organického původu, jde o veškerou živou přírodu. Hovoříme-li o biomase v souvislosti s energetikou, máme na mysli nejčastěji dřevo a dřevní odpad, slámu a jiné zemědělské zbytky a exkrementy užitkových zvířat. Pomineme-li tedy energii potravin, je energie ze spalování biomasy nejstarší energií, kterou kdy člověk využíval. Ale od doby, kdy člověk objevil oheň, uběhlo tisíce let, a proto v dnešní době už dokážeme spalovat dřevo mnohem účinněji a komfortněji.

2.1 Základní pojmy Tab. 1 Pojem Biomasa

Fytomasa

Význam Biologická masa živoucí nebo nedávno odumřelá v buněčné formě. Užívá se také u takových produktů, jako je třeba palivové dřevo. Rostlinná biomasa.

Biozdroj Biomasová energie

Biologické zdroje. Energie z biomasy.


Hodnocení Jednoduché označení celého nepotravinového spektra, nejasné rozlišování produktů.

Jasný termín, ačkoliv jen zřídka užívaný. Jasné pro zdroje biomasy. Nejasný termín, kterému bychom se měli vyhnout. Možnost záměny s jinými termíny.

Diplomová práce Bioenergie Bioteplo Bioelektřina Biopaliva

Bioplyn

Bioetanol

Energie z biomasy. Tepelná energie z biomasy. Elektrické energie z biomasy. Všechna paliva vyráběná z biomasy, včetně pevných (palivové dřevo, pelety), kapalných (bioetanol, bionafta, bioropa) a plynných (bioplyn, jiné plyny). Směs metanu a CO2 vznikající anaerobním rozkladem biomasy (biologický proces). Etanol vyráběný na základě biologických procesů ze surovin majících svůj původ v biomase.

Bionafta

Jasný doporučený termín. Jasný doporučený termín. Jasný doporučený termín. Nemá se omezovat jenom na kapalná paliva, která se obyčejně užívají v dopravě. Doporučený termín pokud je doprovázen (viz vlevo) upřesněním. Nepříliš jasný termín vzhledem k tomu, že se může týkat veškerých plynných paliv odvozených z biomasy. Termín rozlišuje petrochemicky vyráběný etanol od chemicky totožného etanolu. Možná záměna s bioropou využívanou stejným způsobem. Nejasný termín, který by se neměl užívat ve spojení s veškerými kapalnými produkty z biomasy. Nejasné, neměl by se užívat.

Kapalné palivo odvozené z rostlinných olejů a nahrazující běžnou naftu. Biotopy Kapalný zbytek při pyrolýze biomasy, který může být případně energeticky nebo chemicky využit. Biouhlí Dřevěné uhlí nebo výsledek karbonizace biomasy. Odpady Ve spojení s biomasou se jedná o Nejasný záporně znějící materiály pocházející z různých termín, který se týká produktů zdrojů. pocházejících z biomasy i odjinud. Zbytky Obyčejně se užívá pro zbytky Užívá jej organizace FAO, biomasy, která zbývá na polích nemá záporný význam, ale nebo po zemědělské výrobě. nejasně rozlišuje úpravnické odpady. Vedlejší produkty, Měly by se užívat Kladně znějící termín pokud doprovodné produkty k charakterizaci veškerých druhů je dobře specifikován, materiálů, které jsou vztaženy doporučeno k užívání. k biomase, odpadům a druhotným tokům. Biochemikálie Chemikálie z biomasy nebo Nejasný, ale užitečný termín; vyráběné biologickými procesy. měl by být specifikován. Biomateriály, bioprodukty Materiály nebo jiné výrobky Totéž jako u biochemikálií. vyrobené z biomasy nebo biologickým procesem. 2.2 Rozdělení biomasy Využití energie biomasy je nutné rozdělit do několika podskupin, protože se při využívání tohoto

obnovitelného

zdroje

jedná

o

celou


řadu

různých

možností.

Diplomová práce Energii lze získávat z biomasy termochemickou nebo biochemickou přeměnou. Rozlišujeme biomasu "suchou" (např. dřevo) a "mokrou" (např. kejda). 2.3 Podstata vzniku a přeměny energie v biomase A jak to vlastně příroda zařídila, z čeho nám vzniká energie? Všechno je založeno na zákonech fyziky, chemie přírody a jejím koloběhu uhlíku. Energie nevzniká ani nezaniká, jenom se přeměňuje v jiný druh energie, tak naše slunce vlastně vlivem fotosyntézy přeměňuje uhlík(CO 2) a vodu vlivem působení slunečních paprsků a fotosyntézy na uhlohydráty, ze kterých je každá biologická hmota složená a ta se pak při anaerobní fermentaci (vyhnívání bez přístupu vzduchu)

přeměňuje na BIOPLYN (60-80%

methanu CH4).

Tab. 2 Chemické složení a vlastnosti bioplynu Charakteristika

Metan CH4 Oxid uhličitý CO2

Vodík H2

Sulfan H2S

Bioplyn 60 % CH440 % CO2

objemový díl (%) výhřevnost (MJ-m3) hranice zápalnosti (obj. %) zápalná teplota (°C) hustota (kg.nr3)

55 až 70 35,8 5 až 15 650 až 750 0,72

l 10,8 4 až 80 585 0,09

3 22,8 4 až 45 1,54

100 21,5 6 až 12 650 až 750 1,2

27 až 47 1,98


Diplomová práce

Obr. 1 Produkce bioplynu

Obr. 2 Výhřevnost bioplynu v závislosti na

různých typech substrátů v čerstvém stavu

na obsahu metanu

A při spalování methanu nevzniká navíc žádný CO2 , ale jen tolik, kolik ho daná rostlina použila při růstu, tedy fotosyntéze, vlastně nějaké ekologické

perpetum mobile

přírody, ale i zde jsou asi také ztráty. V dnešní době neexistuje žádné zařízení s 100 % účinností. Možná až pochopíme více chemii přírody, tak se z ní možná poučíme.

Obr. 3 Oběh CO2, H2O, O2 při spálení 1 tuny biomasy


Diplomová práce Člověk nemusí být zarputilým ekologem, aby viděl jak ekonomicky přínosným je tento systém. Vytvořením těchto energetických zdrojů se ušetří nejen značné finanční prostředky, ale i naše životní prostředí. A ochrana životního prostředí by měla být prvořadým cílem a tomu by se měl podřídit i prudký rozvoj průmyslu. 2.4 Methan Člen rady alkanů je metan CH4. Je podstatnou součástí zemního plynu, který se vyskytuje poblíž nalezišť ropy a bývá uzavřen v dutinách uhelných slojí, odkud se při dolování uvolňuje. Smíšen se vzduchem je výbušný a bývá příčinou výbuchů v dolech (třaskavý plyn báňský). Vzniká také při karbonizaci uhlí, a je proto součástí svítiplynu a koksárenského plynu (25 až 35 %). Tvoří se při hnití rostlinných zbytků (listí) v bahně a při vyhnívání kalu v městských kanalizačních čistírnách (tzv. kalový plyn). Vedle jiných uhlovodíků vzniká i při výrobě syntetického benzínu a při krakování ropy (štěpení teplem).

Obr. 4 Kuličkový model molekuly etanu a kalotový model molekuly etanu Je to plyn bezbarvý, bez zápachu, zapálen hoří slabě svítivým, horkým plamenem na CO2 a H2O za vývoje tepla 195,4kcal. Ochlazením a stlačením se dá metan zkapalnit. Používá se ho k topení v domácnosti i v průmyslu (zemní plyn), mísí se se svítiplynem a je také důležitou surovinou chemického průmyslu. 2.5 Schéma možnosti využití BIOMASY Obr. 5 Možnosti zpracování biomasy


Diplomová práce

2.6 Suché procesy - (termochemická přeměna) a) spalování – Například teplárensko energetický komplex v městečku Wordingborgu pokrývá téměř veškeré energetické požadavky celého městečka. Jsou k tomu zapotřebí balíky slámy, které rostou na okolních polích. Komplex pracuje nepřetržitě na plně automatické bázi. Sláma z osmi balíků slámy stačí jako zdroj tepla a světla pro jednu rodinu na celý rok. Tato sláma se vypěstuje na poli o rozměrech 100 x 100 m. A v roce 2000 7 % domácnosti v Dánsku využívalo obnovitelné zdroje energie. To souvisí s přísnou ekologickou daní podporovanou malovýrobou. Cílem je vytvořit rovnováhu mezi dodávkami

energie

a

spotřebou. Dále jiná oblast na využití suché biomasy. V dřevařském v jižním Rakousku jsou všechny hobliny a piliny pečlivě sbírány. Posílají se do speciálního závodu, tam jsou zpracovávány do podoby, která je rakouským zákazníkům prezentovaná jako zdroj ekologicky nezávadné energie. Dřevnou štěpku může používat kdokoliv. Tento zásobník je čistou energií srovnatelnou s jedním barelem ropy. Jsou v něm komprimované vysušené piliny bez chemických přísad. Z jednoho kilogramu je téměř tolik energie jako z půl litru motorové nafty. Z hlediska zisku je to lukrativní sortiment. Dřevo, z kterých vznikly, pochází z nedalekých lesů. S dřevnou štěpkou se manipuluje snáz nežli s ropou. A náklady bývají podobné či nižší. Bývaly doby, kdy se tu pohyboval prodejce nafty se svou cisternou, dnes tento řidič rozváží holcis, což jsou lisované piliny. Rakouští producenti dřeva jich ročně prodají 120 000 tun. Jednou za rok se tu staví prodejce těchto stlačených pilin a nasype tyto piliny každému obyvateli do sklepa, kde kdysi stávala nádrž na naftu. Ve sklepě je nainstalován nový kotel ústředního topení na dřevo, zařízení je řízeno elektronicky, popel se vyváží jen jednou za rok a dřevené brikety jsou přidávány zcela automaticky. Tento systém může být ve větším měřítku používán k vytápění celých komunit, jinými slovy může vniknout dálkové vytápění na bázi biomasy. Jeden ekologicky kotel nahradí tisíce kotlů na naftu, které se ukrývají ve sklepích. Jeden takový nalezneme v rakouském Tamsbergu. 7000 obyvatel a spousta lyžařů jsou v teple díky kotli na dřevo, modernímu a ekologickému řešení. Je to jeden z modelových projektů EU.


Diplomová práce b) zplyňování - Jeden špičkový experimentální projekt probíhá ve východoněmeckém Sasku. Toto je prototyp závodu, ve kterém se zpracovává dřevo a vytváří se svítiplyn. Zatím se podařilo zvýšit energetickou výtěžnost z biomasy – až ztrojnásobit. 2.7 Mokré procesy - (biochemická přeměna) a) aerobní fermentace (kompostování) – Dochází vlastně přeměně biologického odpadu, ale s přístupem kyslíku opak anaerobní fermentace a dochází ke vzniku kompostu. b) anaerobní vyhnívání (produkce bioplynu) - Nikde jinde není štědrost přírody tak patrná jako při zpracovávaní odpadu. V bavorském městě Rotthal, přišli 3 sedláci s nápadem, jak vyrábět teplo a energii z organických odpadů. Používají generátor bioplynu, a z 1 m3 se vyrábí 1,6 – 1,9 kWh, to podle toho, jak vysoká je koncentrace methanu a ta se pohybuje od 50 % až 60 %. A dnes se tento plyn vyrábí a prodává ve velkém. Z různých zdrojů se vytvoří vhodný organický odpad a ten se nechá kvasit v nádrži. Vzniká tak bioplyn. Plyn se následně spaluje a vytváří se energie. Z pevného zbytku se oddělí odpadky a nebezpečné látky a pak se prodává jako vysoce kvalitní hnojivo. Tento systém dokáže být v zemědělství prospěšný v několika směrech. Tento statek se už bez tohoto zaměření neobejde. Až 90 % bioplynu pro něj představuje bezprostřední zdroj příjmu. Sedláci z Rotthálu se skutečně naučili používat přírodního bohatství. Jejich generátor bioplynu byl vybrán na Expo 2000. Může fungovat kdekoliv na světě. Ale je tu jeden problém. Bioplyn vznikající ve fermentoru obsahuje malé množství sirovodíku H2S a to je pro spalovací motory nebezpečné, protože tento plyn se nám při spalovaní zanáší do oleje a následně

rozežírá celý motor. Proto se vznikající plyn musí čistit - filtrovat. A asi

nevhodnější způsob, jak by se vyřešil tento problém, je, že by byla použita technologie turbíny na základě Ericssonového tepelného oběhu.Ten se skládá z komprese a expanze ohřáté vodní páry na lopatky turbíny a ta nám pohání generátor elektrického proudu. Ale v Rotthalu používají spalovací motory jako u klasických automobilu. A vyrobená elektřina jim prý postačí pro 150 domácností. Toto je vzorový projekt zpracování biomasy, který změnil způsob myšlení bavorských zemědělců. Bylo by příjemné, kdyby někdy v budoucnosti mohli lidé znovu říci, že sedlák má zase to postavení jako před 100 lety, to je, že bude zase lidem přinášet obživu. Ale dnes už je jasné, že to bude i elektřina. Zemědělští odborníci Rotthalu předpokládají, že se vytvoří sektor minimálně 500 pracovních příležitostí. A síla slunce se může stát pro sedláky věčným požehnáním, ať už bude vlhko nebo sucho. Bude to


Diplomová práce ale vyžadovat průkopnického ducha a vynalézavost, než se nám podaří vytvořit zaslíbenou zemi plnou bioplynu a energie.

c) Zvláštní podskupinu - Tvoří lisování olejů a jejich následná úprava, což je v podstatě mechanicko-chemická přeměna (např. výroba bionafty a přírodních maziv). V jižním Rakousku se nachází oblast s několika restauracemi. Je zde několik sběrných míst pro použitý olej na smažení, ze kterého potom vyrábí bionaftu pro místní autobusy. Z technického hlediska je to nejrafinovanější způsob výroby vysoko jakostní nafty v Evropě. Každoročně vyrobí několik tun bionafty z organických tuků a olejů. Vědci z univerzity v Gratzu už 20 let experimentují a zdokonalují celý proces. Díky novým obnovitelným zdrojům energie dnes nesměřuje doprava do slepé uličky. Bionaftu lze také vyrábět z řepky či sojového oleje. Často bývá lepší než ekologicky škodlivá paliva vyráběná na ropné bázi. Vedlejší produkty z rafinérie lze použít pro výkrm hospodářských zvířat. Bionafta není o nic škodlivější než salátová zálivka a suroviny k její výrobě si můžeme kdykoliv vypěstovat. Výrobna oleje v Bléru, na německo holandské hranici, produkuje bionaftu z řepky. Řepka se pěstuje v rámci programu pro ochranu půdy v rámci EU. Trh s bionaftou se začíná pomalu rozšiřovat, někteří lidé dnes tvrdí, že právě zde se nachází budoucnost spalovacích motorů. Jsme jednou nohou v budoucnosti, v níž se zemědělství stane producentem surovin pro energetiku. Ve Francii farmář odevzdává 10 procent své sklizně pšenice největší naftařské společnosti Total. Tady se z něj vyrábí velké množství přírodního aditiva ETBE – ekologické aditivum pro špičkové bezolovnaté palivo. ETBE se přidává do nejlepších paliv a může nahradit až 15 procent složek fosilní báze. Francouzská vláda toto palivo podporuje daňovými úlevami. Ve Francii se ho vyrobí více než 50 mil. litrů ročně. A toto aditivum výrazně snižuje obsah škodlivin ve výfukových plynech. Na švédském trhu se uplatní jen ti výrobci energie, kteří berou ohled na životní prostředí. Ve Švédsku (země, která produkuje největší množství dřeva v Evropě), evidují odborníci každý strom (jak jsou staré, jak silné, jaké mají genetické rysy), což je nezbytnou součástí pro kvalitní těžbu a udržení lesa. V desetiletých intervalech vybírají místa pro těžbu, ta se provádí těžkými stroji přesně podle plánu. Těží se pouze geneticky slabé stromy. Bezhlavé kácení lesů patří minulostí.


Diplomová práce Toto je zodpovědně využívaní zdrojů. Před dvěma stoletími naznačil tuto strategii Johann Wolfgang Goethe: „ Příroda jediná kniha, která předkládá velká témata

na každé stránce a bude otevřena dokořán a je na člověku, aby si ji přečetl. Jednoho dne, kdy nastane situace zbavit se jaderných a fosilních paliv bude hrát fotosyntetizovaná energie ze Slunce hlavní roli. Pokud se bude biomasa pěstovat nepřetržitě a systematicky, nemůže se stát, že by nebyla kdykoliv a kdekoliv k dispozici a bude ji tu dost pro každého.


Diplomová práce

2.8 Technologický postup pro kompostování Receptura zakládky musí být optimalizována tak, aby se docílilo co nejvyšší účinnosti tvorby humusových látek. V surovinovém složení kompostu je nejdůležitějším elementem organická hmota rozložitelná mikroorganismy, které svou činností realizují transformační procesy. Základním předpokladem správného kompostování je udržení přiměřené vlhkosti kompostové hromady na počátku a během celého procesu. Vlhkost je závislá zejména na pórovitosti zpracovávaného materiálu. Jak uvádí Jaroslav Váňa, optimální vlhkost u čerstvého kompostu pro zemité komposty s obsahem organických látek do 20 % v sušině (např. na bázi rybničního bahna) je 45-50 %. Komposty ze zemědělských odpadních hmot s obsahem 30 40 % organických látek v sušině vyžadují počáteční vlhkost 55 - 60 %. Organické komposty ze stromové kůry, dřevních odpadů a při kompostování chlévské mrvy se zeminou, kdy obsah organických látek v sušině je v rozmezí 50 - 70 %, vyžadují vlhkost 60 - 70 %. Je nutné ale zdůraznit, že kompostování zemědělských odpadů, jakými jsou např. chlévský hnůj a kejda, je možné provádět na malých hromadách pouze tehdy, je-li zaručeno, že neobsahují patogenní mikroorganismy nebo látky neodbouratelné procesem rychlokompostování. V malých hromadách vždy nelze udržet potřebnou teplotu po dostatečně dlouhou dobu (55 °C minimálně 21 dní) a nedochází tedy k dostatečné hygienizaci kompostu. Kompostováním na malých hromadách je myšleno kompostování na hromadách s výškou od 1,1 m do 2,5 m. Počáteční vlhkost kompostové hromady by měla být vyšší, než vlhkost zralého kompostu. Pórovitost kompostu se činností mikroorganismů zmenšuje a tím klesá i potřeba vlhkosti. Prakticky je lépe udržovat vlhkost blíže k nižší hranici potřebného rozmezí, zvýšit ji lze snadno, opačná procedura je však dosti problematická a v některých podmínkách i nemožná. Nadměrná vlhkost zabraňuje přístupu vzdušného kyslíku a aerobní fermentace pak rychle přechází v anaerobní. Při stanovování surovinové skladby kompostu je podstatným kriteriem poměr uhlíku (C) k dusíku (N). Poměr C : N zásadně ovlivňuje intenzitu činnosti mikroorganismů a tím tedy dobu zrání kompostu, tvorbu humusových látek a samozřejmě také výslednou kvalitu kompostu. Abychom dosáhli u zralého kompostu C : N v rozmezí 25 - 30 : l (vysoká stabilita a agronomická účinnost), je třeba optimalizovat C : N v čerstvém kompostu v rozmezí 30 - 35 : l.


Diplomová práce K tomuto účelu byl vytvořen databázový program (obr. l), v kterém jsou obsaženy vybrané organické materiály s jejich základními vlastnostmi, jakými jsou vlhkost, obsah organických látek, obsah uhlíku a obsah dusíku. Tyto materiály lze vkládat do okénka, které značí kompostovou zakládku, a udávat jejich množství. Ve zmíněném okénku se zobrazí poměr C : N celé této zakládky a ten lze korigovat výběrem některého z materiálů a úpravou jeho množství. Množství lze upravit přepsáním či pohybem jezdce umístěného vedle tohoto údaje. Je-li zadaná receptura z hlediska C : N výhodná pro kompostování, číslo udávající tento poměr změní barvu z červené na zelenou. Organické materiály uložené v této databázi jsou převzaté z publikace „Výroba a využití kompostů v zemědělství" a jsou zobrazené vtab. l. Program je volně k dispozici na webových stránkách www.biom.cz. Odchylky od doporučeného poměru C : N prodlužuji dobu zrání kompostu. V průběhu procesu kompostování je produkován oxid uhličitý (C02). Jeho únikem se část uhlíku obsaženého v zakládce ztrácí. Z tohoto důvodu je poměr C : N v zakládce vyšší, než ve finálním zralém kompostu. Nadměme množství dusíku v kompostovaném materiálu způsobuje jeho únik ve formě amoniaku. Tento jev je charakteristický zápachem, který kompostování doprovází. Jak je popsáno Miroslavem Kalinou, ztráty dusíku ve formě plynného amoniaku mohou představovat až 20 % a ztráty uhlíku do vzduchu ve formě oxidu uhličitého činí asi 30 %. Rozhodujícími faktory, ovlivňujícími průběh kompostování, nejsou jen vlhkost a poměr C : N, ale také obsah fosforu. V zemědělských odpadech je jeho minimální obsah (0,2 % P20.-, v sušině) převážně zaručen. Výjimečně doplňujeme P2O.s přídavkem superfosfátu (maximálně 2 kg na l t odpadu) u kompostů s převažujícím podílem stromové kůry, dřevní štěpky a pilin. Aby stanovení správné surovinové skladby kompostu neztrácelo smysl, je nutné zajistit po navážce dokonalou homogenizaci celé hromady. V případě, že by k tomuto nedošlo, byla by v kompostové hromadě jádra jednotlivých složek. Kompostování by tak probíhalo za jiných, než optimálních podmínek, kterých se skladbou receptury snažíme dosáhnout. Prodloužila by se doba fermentace a finální produkt by neměl požadované parametry. Dalším požadavkem je umožnit všem látkám, obsaženým v surovinách, zúčastnit se kompostovacího procesu od samého prvopočátku. Proto je nevhodné dávat do kompostu celé části dřevin (klestí, větve apod.) i rostlin (vysoká tráva, seno, sláma apod.) a je vhodná jejich desintegrace např. nadrcením či nasekáním.


Diplomová práce Je-li složení kompostu, jeho vlhkost a pH příznivé pro rozvoj mikroflóry, je také nutné zaručit přítomnost těchto mikroorganismů v zakládce. Naočkování hromady půdními mikroorganismy lze dosáhnou přidáním alespoň minimálního množství zeminy či vyzrálého kompostu do 10 % váhového podílu. Správného procesu nelze dosáhnout pouze aplikací hnoje, kejdy či močůvky. Tyto materiály obsahují střevní nikoli půdní mikroflóru. V případě kompostování surovin či odpadů s nízkým pH faktorem, je vhodná jeho úprava před homogenizační překopávkou např. vápencem. Přebytek vápence nevadí a hotový kompost podle ČSN 46 5735 má mít pH = 6,0 - 8,5. Smícháním samotného vápence se zeminou v poměru l : l lze dospět k hodnotě kolem pH = 8,6. Tab. 3 Organické suroviny a jejich základní vlastnosti pro optimalizaci zakládky Surovina

Vlhkost

Org.látky

N (% suš.)

Chlévská mrva skot

(%) 75-82

(% suš.) 78-85

1,8-2,4

Chlévská mrva koně

68-73

86-92

1,9-2,5

Chlévská mrva ovce

65-70

88-96

2,5-3,0

Močůvka

96-99

0-3

0,1-0,9

Kejda prasat

91-98

v původní hmo. 72-78

5,0-5,8

Kejda skotu

94-99

70-81

3,5-4,5

Kejda drůbeže

82-97

65-76

5,0-8,1

Sláma obilovin

13-20

92-96

0,4-0,6

Sláma řepky

15-18

95-97

0,5-0.7

Nať brambory

25-60

88-91

0,7-0,8

Listí

15-40

88-94

0,9-1,5

Odpad zeleniny

80-90

85-90

1,2-2,5

Stařina z luk

10-30

88-95

0,8-1,0

Výhozy z příkopů

10-40

15-20

0,3-0,6

Kuchyňský odpad

65-80

75-88

1,2-2,3

Výlisky z ovoce

65-87

78-92

0,1-0,6

Piliny

40-70

97-99

0,0-0,2

Stromová kůra

40-70

94-98

0,2-0,4

Zemina cukrovar, a škrobárenská

15-35

7-13

0,1-0,2

Sáma cukrovamická

15-50

3-12

0,2-0,5

Kanalizační kal

55-96

27-45

2,0-4,5

Jímkový kal (a ze septiků)

91-98

30-48

2,2-4,0


Diplomová práce Popel ze dřeva

5-40

4-10

0,0-0,1

Vytříděný bioodpad

37-64

69-82

1,2-1,9

Fa/den

10-15

83-98

0,4-0,7

Rybniční bahno

25-80

8-25

0,3-0,6

Lihovarské výpalky

80-93

86-89

2,9-3,3

Kostní šrot

5-20

17-23

1,4-1,9

Kapucín, hnědouhelný prach

15-40

30-64

0,2-0,7

Odpad mlýnský, krmivářský

8-15

65-85

0,8-1,3

Rašelina

60-80

55-90

1,2-3,0

Jateční odpad

70-85

75-95

5,0-9,0


Diplomová práce

V tabulce nejsou uvedeny obsahy uhlíku jednotlivých surovin. Obsah uhlíku v sušině organické suroviny je převážně roven polovině obsahu spalitelných (organických) látek v sušině této suroviny. K výběru vhodných surovin zakládky a k určení jejich množství dle poměru C : N lze použít níže uvedený vztah

n

-

počet surovin (-)

Mi -

množství jednotlivých surovin (kg)

Ci -

obsah uhlíku, C, v sušině (%hm.)

NI

-

Wi -

obsah dusíku, N, v sušině (%hm.) vlhkost (%)

Postup při volbě optimální surovinové skladby zakládky je uveden v následujícím příkladu:


Diplomová práce

Př.: Údržbou parkové zeleně vzniká odpadní biomasa ve formě čerstvé trávy a zetlelého shrabaného listí s trávou (shrabky). Jsou-li známy alespoň přibližně vlastnosti těchto organických materiálů jako vlhkost, obsah uhlíku, dusíku a množství, lze přistoupit k přibližnému stanovení receptury zakládky. Produkty z údržby zeleně a jejich vlastnosti jsou následující: Čerstvá tráva: pH6,2;

vlhkost 82.4%;

C: N13,3; C v suš. 42,85%;

N v suš. 3.23%;

produkce 32t.měs1 Shrabané zetlelé listí s trávou: pH7,8;

vlhkost 51,1%;

C: N21,2; C v suš. 28,61%;

N v suš.]. 35%;

produkce 18t.měs-1 Celková bilance uhlíku a dusíku tedy je: Množství uhlíku, C: 2.41 t + 2,52 t = 4,93 t Množství dusíku, N: 0,18 t + 0,12 t = 0,3 t Při zpracovávám výše uvedených surovin je třeba upravit poměr uhlíku k dusíku, C : N. který je dle výpočtu 16,4. Nejlepší a nejdostupnější surovinou pro zvýšeni obsahu uhlíku v zakládce je dřevní stopka. Celkový obsah organických látek v sušině zakládky Je 68,4%. Výpočtem dle vzorce nebo použitím zmíněného databázového programu lze dospět k závěru, že při zpracovávám celého objemu produkce zbytkové biomasy je vhodná např. aplikace alespoň 20-tí tun dřevěných pilin.

Obr. 6 Databáze organických surovin s možností optimalizace zakládky dle poměru C:N


Diplomová práce

2.9 Faktory ovlivňující anaerobní vyhnívání 1. pH Složení organického substrátu 2. Alkalita 3. Doba zdržení (doba, potřebná k zdárnému průběhu vyhnívacího procesu, po kterou je substrát v nádrži) 4. Koncentrace těkavé kyseliny 5. Teplota 6. Obsah živin 7. Toxické látky 8. Koncentrace substrátu 9. Organické zatížení 10.Teplota a tepelná rovnováha 2.10 Množství biomasy dostupné v EU Tab. 4 Suroviny

Současné zdroje

[Mt sušina /rok] Vedlejší produkty jiných činností: Dřevěné odpady 50 Zemědělské zbytky 100 Pevné městské odpady 60 Průmyslové odpady 90 Přímá produkce biomasy: Krátké obmýtní lesní 5 hospodářství Energetické plodiny Biomasa celkem Celkem bioenergie [Mtoe] Procento současné primární

200 80 5–6%

Budoucí zdroje [Mt sušina /rok] 70 100 75 100 75 – 150 250 – 750 1 000 400 25 – 30 %

energie v EU


Diplomová práce

2.11

Hodnoty výroby bioenergie v státech EU

Tab. 5 Evropská unie (1995) Země

Celkové primární Energie z dodávky energie biomasy [Mtoe]

Rakousko 27,0 Belgie 59,8 Dánsko 25,4 Finsko 29,9 Francie 245,2 Německo 350,5 Řecko 27,4 Irsko 11,2 Itálie 161,7 Lucembursko 3,5 Nizozemí 85,3 Portugalsko 19,4 Španělsko 140,0 Švédsko 52,7 Velká Británie 231,8 Celkem 1 435,0 Pramen: Eurostat, Národní statistiky, odhad

11,1 0,6 5,9 19,1 4,0 1,3 3,3 1,6 2,2 1,1 0,0 13,5 3,4 16,7 0,6 3,3

Procentuální podíl bioenergie vzhledem k ostatním obnovitelným zdrojům 49,0 97,0 93,0 79,0 66,0 71,0 64,0 70,0 17,0 86,0 94,0 63,0 52,0 66,0 85,0 61,0


Procentuální podíl elektřiny vyráběné z biomasy

4,2 1,2 6,3 18,2 1,4 1,2 0,7 1,7 1,6 0,1 2,1 7,0 3,1 12,5 0,7 2,8

Diplomová práce

2.12

Experimentální stanice v České republice

Tab. 6 Stanice Vstupní materiál*) Množství (m3-den-') Fermentační teplota (°C) Objem reaktorů (m3) Počet reaktorů Doba zdržení (den) Hlavní materiál

ČOV Třeboň

ZD Hustopeče

ZD Jindřichov

ZD Výšovice

ZD Kladruby

SDP Skalice

ČOV Plevnice

KP + MO

CHM

CHM

CHM

KP + CHM

KP

KP+KD

26

23

21

10,5

85

170

80

železobeton

kov

35 až 40

35 až 40

40

37

49

169

85

110

1 020

2 160

8

6

6

2

2

16 až 26

32

28

30

22

železobeton

kov

kov

kov

kov

3 200 2800 2

Denní výroba BP 4 až 6 1 až 1,2 0,6 0,3 až 0,4 2,5 (tis. m3) Investované náklady (mil. 42 3,5 36 8,5 5,5 korun) Zahájení 1974 1986 1989 1987 1989 provozu *) BP - bioplyn, KP - kejda prasat, CHM - chlévská mrva, MO - městské odpady, KD - kejda drůbeží


2 x 500 2 x 600 4

2,7

1,6 až 2,4

48

14

1993

1990

Diplomová práce

2.13

Mapa dnešního potencialu biomasy k energetickému využití v ČR

Obr. 7 Mapa realizovatelného potenciálu odpadní lesní biomasy v ČR (tun sušiny/km2). Z mapového vyjádření realizovatelného potenciálu lesních zbytků (SCHOLES & al., 1997) je možné odvodit očekávaný závěr, že tzv. lesní odpadní bio-masa může sloužit jako realizovatelný zdroj v horských a lesnatých regionech. Základním problémem je poměrně velká rozptýlenost potenciálu (100-300 tun/km2), která navíc souvisí i s technologickým problémem soustřeďováním těžebních zbytků na odvozní místa a ke zdrojům dalšího využití.

Obr. 8 Mapa realizovatelného potenciálu slámy v ČR (tun sušiny/km2). Z mapového vyjádření realizovatelného potenciálu slámy (SCHOLES & al., 1997) je, podobně jako v předcházejícím případě, možné odvodit očekávaný závěr, že sláma může sloužit jako dobrý realizovatelný zdroj v nížinných a podhorských zemědělských regionech. Problémem je poměrně velká rozptýlenost potenciálu (50-100 tun/km2) v podhorských a horských regionech. Sláma v nížinných


Diplomová práce oblastech je již poměrně více koncentrována (300-500 tun/km2). Technologickým problémem je sběr slámy z polí, neboť velký podíl slámy se v současnosti zaorává a zemědělci již nemají mechanizaci na balíkování.

2.14

Zkušenosti z realizace technologie na využití biomasy - zahraničí

Kogenerace nahrazuje současnou výrobu tepla a elektrického proudu v jednom zařízení. V protikladu k jednoduché výrobě elektrického proudu, při které se ztrácí do prostoru nevyužité odpadní teplo, může být u systému STV tohoto tepla využito k dálkovému nebo procesnímu ohřevu. Soustava síla-teplo-vzájemná vazba je efektivní, prakticky vyzkoušená a osvědčená technika úspory energie a vyznačuje se v návaznosti na zdroje a ochranu životního prostředí vysokou řádovou hodnotou. Při realizaci soustavy síla-teplo-vzájemná vazba jsou použitá paliva využívána na víc než 95 %.

Obr. 9 Prvním předpokladem proto je vyspělá technologie zařízení pro spalování biomasy. Ta byla zejména v posledních 20 letech v mnoha zařízeních dřevařského průmyslu vyvinuta tak, že dosáhla téměř standardu elektráren. Obrázek ukazuje kompaktní kotelnu u společnosti EHP European Hardwood Production GmbH ve Frauental, v Rakousku.

Obr. 10


Diplomová práce V zařízeních pro dálkové zásobování teplem bylo také dosaženo zdokonalení ekologicky vhodného životního prostředí, spolehlivosti a jednoduchosti obsluhy, které jsou pro kogeneraci tak důležité. Obrázek ukazuje ústřednu dálkového vytápění o výkonu 10 MW pro lyžařskou a turistickou oblast Lech na upatí hory Arlberg.

Obr. 11 Druhým předpokladem je stabilní trh paliva. Tím jsou hlavně stromová kůra, dřevěné piliny, odštěpky a „energetické štěpiny“. Obrázek ukazuje sklad odštěpků v areálu společnosti „Stadtwärme Lienz GmbH“.

Obr. 12 Protože je v Rakousku v provozu již více než 3 000 topných zařízení na biomasu, vytvořil se zde trh s relativně stabilními cenami. Obrázek 12 ukazuje volný sklad kůry a energetických štěpin v Lienz. 27 PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory Pro www.fineprint.cz

Diplomová práce

Obr. 13 Protože společnost „Stadtwärme Lienz GmbH“ s určitostí představuje nejnovější stav soustavy síla-teplo-vzájemná vazba, vysvětlím celou technologii na tomto příkladu. Město Lienz se nachází v Jižním Tyrolsku v blízkosti rakousko-italské hranice. Pro zásobování města teplem se bude pokládat potrubní síť o délce 37 km. Odběrní výkon má, v konečné fázi výstavby pro 3 500 jednotlivých odběratelů, činit celkem 36 MW.

Obr. 14 Teplárna se skládá v podstatě ze dvou kotelen na spalování biomasy, jednoho procesu ORC (speciální zařízení soustavy síla-teplo-vzájemná vazba), jednoho olejového kotle 11 MW k pokrytí spotřeby tepla ve špičkách a jako rezervy při výpadku a jednoho zařízení pro kondenzaci spalin, které rekuperací tepla napájí síť ještě dalšími 2 MW. Obě topeniště na biomasu - jeden teplovodní kotel se 7.000 kW a jeden kotel na teplý olej se 6.000 kW jmenovitého výkonu - představují srdce celého zařízení. Kotel na teplý olej dodává příkon pro proces ORC s elektrickým jmenovitým výkonem 1.000 kW. Odpadní teplo z procesu ORC může být na základě dimenzování a tím umožněného teplovodního způsobu provozu zařízení, zcela vyvázáno do dálkové teplovodní sítě, a proto


Diplomová práce docíluje vysokého celkového stupně účinnosti a tím umožňuje ekologické a ekonomické výhody.

Obr.15

Tab. 7 Průběh procesu: 2.1 bis 2.3 Zásobník s dávkovací jednotkou paliva 1.1 Kotel na teplý olej 1.2 Topeniště 1.3 Mechanické odpopelňování 1.4 Zbavování spalin prachu v multicyklonu 1.5 Kondenzace spalin 1.6 Spalinové kanály 3.0 Komín


Diplomová práce

Obr. 16 Palivo se přivádí do zásobníků obou kotlů na biomasu kolovým nakladačem

Obr. 17 Kapacita jednoho zásobníku je 200 m³.


Diplomová práce

Obr. 18 V zásobnících se piliny, odštěpky a kůra promísí a přes hydraulicky poháněné vykládací a dávkovací zařízení zásobníku jsou dávkovány do topenišť obou kotlů v závislosti na jejich zatížení.

Obr. 19 Topeniště, ve spojení s programovatelným řízením zásobníků, jsou nejdůležitějšími částmi zařízení. Na velkou tloušťku vyzděné a izolované adiabatické topeniště s hydraulicky posuvným roštem, oddělené plně od studených ploch kotle, se skládá ze dvou, vzájemně oddělených zón. První, v oblasti roštu, slouží k odplynění a primárnímu spalování paliva. Navazující zóna, do které se přivádí zbytkové množství spalovacího vzduchu, je navržena jako dodatečná spalovací zóna. Tím, že je udržována stále horkou na určité teplotní úrovni, umožňuje dostatečně dlouhou trasu dodatečného spalování a dlouhou dobu prodlevy spalin v topeništi. 31 PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory Pro www.fineprint.cz

Diplomová práce

Obr. 20 V kotli, který je na topeništi nasazen, se olej ohřívá na vysokou počáteční teplotu 300 °C . Použití termooleje jako teplonosného média umožňuje provoz kotlů bez tlaku, o vysokých teplotách, bez kontrolních přístrojů, používaných u parních kotlů a bez povinnosti kontrol.

Obr. 21 Druhý kotel je teplovodní kotel na výkon 7 MW s automatickým čištěním otopných ploch.


Diplomová práce

Obr. 21 Stejná konfigurace kotlů byla provedena u zařízení STV v Admontu Rakousko (elektrický výkon 500 kW).

Obr.22 ORC (Organic Rankine Cycle) je proces při výrobě proudu a tepla s využitím zdroje nízké teploty. Od obvyklého procesu protitlakové parní turbiny se liší pouze ve dvou bodech. Odpařování pracovního média se provádí při relativně nízkých teplotách. Pro tento účel se pro pracovní médium nepoužívá jako obvykle voda, ale organický uhlovodík, který má tu vlastnost, že se odpařuje již při nižší teplotě. Výhodami, ve srovnání s obvyklými odpařovacími procesy, jsou nízké úrovně teploty a tlaku a také chování pří dílčích zátěžích.


Diplomová práce Funkce: Ve výparníku (3) se odpařuje organické pracovní médium (silikonový olej) přiváděním termooleje (3-4). Páry pracovního média se potom rozpínají až do vakua (4-5), v pomaloběžné, dvoustupňové turbíně a po ochlazení v předehřívači (nebo regenerátoru) (5-9) se dostanou nakonec do kondenzátoru (6). V kondenzátoru se kondenzační teplo vyvazuje do vody dálkového vytápění. Cirkulace ORC se uzavře po zvýšení tlaku (1-2), předehřátí (2-8) a přivedení pracovního média do výparníku (8-3).

Obr. 23 Proces ORC je plně uzavřený a je v činnosti s malými ztrátami plně automatický. Plných 79 % přivedeného tepla může být předáno dálkovému vytápění. Elektrická účinnost činí 18 %.

Obr. 24 Také provedení modulu ORC je velmi kompaktní. Na obrázku modul 400 kW.


Diplomová práce

Obr. 25 Modul 1.000 kW: Výparník – světle zelená, regenerátor (předehřívač) – červená, kondenzátor – žlutá, turbína – světle modrá, generátor – tmavě zelená a oběhové čerpadlu – tmavě modrá.

Obr. 26 Modul 1.000 kW v Lienz s kondenzátorem (nahoře), čerpadlem v popředí a turbínou v pozadí.


Diplomová práce

Obr. 27 Totéž ještě jednou jako vizualizace procesu. Termoolej – červeně, pracovní látka – zeleně a voda dálkového vytápění – modře.

2.15

Přehled cen a nákladů Tab.8 Cena biomasy (státní výkup) €/m3 (volný materiál) 3,3 - 7 3 €/m (volný materiál) 2-5 3 €/m (volný materiál) 6 - 10

čerstvé piliny Kůra Dřevěné odštěpky

Prodejní ceny energie €/100 kW

10 - 12

€/100 kW

5

Tarif za elektr. energii přiváděnou do sítě Cena za tepelnou energii při

Specifické investiční náklady na kogeneraci Zařízení pro kogeneraci (topný kotel na biomasu + kotel pro ohřev, € 1.800.000 instalace termooleje, zařízení na čištění a na kondenzaci spali) € 1.300.000 Moduly ORC 1000kW Celkové investiční náklady "Stadtwärme Lienz" (Teplo pro Lienz) € 7.700.000 Teplárna


Diplomová práce € 15.400.000

Dálkový rozvod tepla

3 Skleníkový efekt 3.1 Ozón Ozón O3 se vyskytuje zejména ve dvou úrovních: buď při povrchu naší modré planety nebo vysoko nad našimi hlavami. Přítomnost ozónu na nás působí kladně nebo záporně. Chování ozónu totiž do značné míry záleží na tom, kde se právě nachází. Ozónová vrstva pohlcuje škodlivé a pro lidský organismus dokonce v určitých koncentracích přímo nebezpečné ultrafialové záření, dříve než se dostane k zemskému povrchu. A právě poškození této ochranné ozónové vrstvy nám působí dnes nejvíce starostí. Už teď je více než zřejmé, že lidé musí urychleně podniknout účinná opatření, aby zachránili ozónovou vrstvu, a tím i sebe. Jak se ozón tvoří? Nejdříve ultrafialové záření rozštěpí dvouatomový kyslík. Ten pak vytvoří trojatomovou molekulu ozónu. Tato reakce přitom pohltí část slunečního ultrafialového záření. Vlivem jiné části slunečního ultrafialového záření se ozón znovu dělí. Tyto dvě skupiny chemických reakcí pomáhají vyřadit většinu škodlivých ultrafialových paprsků dříve než se dostanou na zemský povrch. Pokud bude dost kyslíku a ozónu, zmiňované děje nás dostatečně proti ultrafialovému záření uchrání. I když ozónová vrstva tvoří pruh široký 25 kilometrů, není nijak hustá. Kdybychom dopravili všechen stratosférický ozón dolů na povrch naší planety, stlačil by se na vrstvu silnou pouhé 3 mm. Křehká ozónová vrstva je vystavena velkému nebezpečí. V posledních letech se zejména na jaře nad Antarktidou, Austrálii a Jižní Amerikou ozónová vrstva povážlivě

ztenčila.

Podle

pracovníků

solárního

a

ozónového

oddělení

hydrometeorologického ústavu v Hradci Králové poklesla v zimě 1991/92 koncentrace ozónu i na našem území. V lednu 1992 poklesla nad střední Evropou o 20 %. Nejvíce škodí vrchní vrstvě ozónu chlorofluorouhlovodíky (CFC) mnohem proslulejší pod svým obchodním názvem freony, a oxid dusný (N2O). CFC mají bohužel široké uplatnění v průmyslu. Každá molekula CFC může v atmosféře zůstat až 130 let aniž se rozpadne. Za tu dobu může zničit až l0 5 molekul O3. Před


Diplomová práce 30 lety byly prvé CFC vyrobeny a jejich množství v atmosféře neustále stoupá. Používají se jako hnací náplň do sprejů a pro izolaci chlazení a mrazáků. Dalším klíčovým plynem je N2O, známější pod označením rajský. I když pochází hlavně z vegetace v přírodě, vypouštějí jej do ovzduší stále ve větším množství i automobily a elektrárny. Určitá část rajského plynu se dostává do atmosféry také z umělých dusíkatých hnojiv. V atmosféře zůstává až 150 let. Spolu s freony stoupá pomalu do stratosféry a společně narušují ozónovou vrstvu. Vysoké hodnoty ultrafialového záření narušují potravní řetězce zejména v moři. U lidí poškozují imunitní systém, kterým se lidský organismus brání proti nemocem. Zvyšují tak naši náchylnost k infekčním chorobám, rakovině kůže a ohrožují náš klíčový smysl - zrak. 3.2 Skleníkový efekt Plyny atmosféře zajišťují tepelnou pokrývku (skleník), která chrání veškerý život na naší planetě. Jako skleníkové plyny pak označujeme takové, které mají tu vlastnost, že pohlcují teplo přímo ze Slunce nebo ze zemského povrchu, který se již předtím ohřál právě slunečními paprsky, nebo toto teplo vzniklo lidskou civilizační činností. Jinými slovy, Země funguje jako určitý druh ústředního topení, které ohřívá okolní vzduch. Část tepla přece jen uniká do vesmíru. Rovnováha mezi přicházejícím a odcházejícím teplem zajišťuje naší planetě stálou teplotu, bez které by nebyl život na ní možný. Unikne-li metan do vzduchu, pak vlivem slunečního světla, ozónu a takzvaných radikálů (velmi reaktivních molekul HO) oxiduje na oxid uhličitý a vodu.Ta pak padá dolu ve formě deště a hladiny světových oceánu rostou. Samozřejmě i taním ledovců na severním a jížním pólu ale hrozba takových skládek jaká je například viděno ve státech Ameriky je děsívá pro celou planetu. Proto by měli využít fermentačních a ekologických postupu pro zničení veškerých nerecyklovaných materiálu. A taky můžeme děkovat přírodě a zákonům fyziky, že nám posílá blesky a bouřky, protože ty pak vytvářejí náš ochranný OZON ve ionosférě

a ten nás chrání před ultrafialovými paprsky (UVA a UVB) našeho kosku a

slunce.Takže vody bude stále přibivat a proto se najde nebo spíše už to bylo objeveno na přelomu 20 stoleti rozklad vody na H2 a O2 pomocí ektrolízy vody. Jedná se o velice levnou možnost energie, kterou jednou budou určite všichni využívat ale obavám se že zase by mohlo dojit k tomu, že nakonec vody bude málo všude ale nechme se překvapit. Až do doby industrializace zůstávala produkce a rozklad metanu v rovnováze. Dnes je však tato rovnováha stále porušována: při těžbě uhlí, ropy a zemního plynu uniká velké množství metanu v nespálené formě do atmosféry. K tomu se přidává množství plynu 38 PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory Pro www.fineprint.cz

Diplomová práce vznikajícího celosvětově při pěstování rýže a chovu dobytka. To vše vedlo v posledních desetiletích ke stálému nárůstu koncentrace metanu v zemské atmosféře. Metan je po oxidu uhličitém (který má 50 % podíl na skleníkovém efektu) nejvýznamnější škodlivinou ve vzduchu a podílí se z 20 % na skleníkovém efektu. Kromě toho při oxidaci spotřebovává ozón, a tím přispívá ke zvětšování ozónové díry ve stratosféře. Za těchto okolností získává na významu technická výroba a využití bioplynu, neboť takto lze přinejmenším omezit emise metanu z otevřených skládek hnoje a kejdy. Navíc je energetické využití bioplynu na rozdíl od spalování zemního plynu, zkapalněného plynu (propan butanu), oleje a uhlí neutrální z hlediska produkce CO2, neboť vznikající oxid uhličitý je součástí koloběhu uhlíku v přírodě a je opět spotřebováván rostlinami. Jeho koncentrace v atmosféře se proto touto cestou nezvyšuje, zatímco CO2 pocházející z fosilních surovin k tomu přispívá . Mezi hlavní plyny, způsobující skleníkový efekt, patří oxid uhličitý (CO2) a vodní páry. Ty dovolují slunečnímu záření, které vnímáme jako viditelné světlo, projít atmosférou a zahřát zemský povrch. Když je povrch zahřátý na určitou teplotu, vydává sám tepelné záření, označované jako infračervené. Část infračerveného záření pohltí právě skleníkové plyny. Ale jak CO2, tak vodní páry díky své chemické struktuře dovolí části záření uniknout atmosférou zpět do vesmíru. Takové chemické díry, jimiž energie ze zemského povrchu uniká, nazýváme radiační okna. CO2 představuje součást přirozeného cyklu uhlíku mezi atmosférou, zemským povrchem a organismy. Naše civilizační činnost přispívá ke zvyšováni CO2 v ovzduší: odlesňování (23 %), elektrárny (22,5 %), doprava (22,5 %), průmysl (16 %) a ostatní (16 %). K celkovému skleníkovému efektu přispívá asi 40 - 50 % CO 2. Za každý rok přibude jeho množství v atmosféře o +0,4 %. Oxid dusný (N2O) přispívá k celkovému skleníkovému efektu asi 6 %. Za každý rok přibude jeho množství v atmosféře o +0,3 %. Působí na životní prostředí člověka hned dvakrát. Jednak ohrožuje horní ozónovou vrstvu, jednak se chová jako skleníkový plyn. Metan (CH4) také přispívá k celkovému skleníkovému efektu asi 18 - 20 %. Za každý rok přibude jeho množství v atmosféře o +1 %. Metan produkují hlavně bakterie, které žijí v rozmanitých bažinatých krajinách včetně rýžových polí, na skládkách odpadů a ve střevech zvířat a nás lidí. Mezi oblíbené hostitele těchto mikroorganismů patří skot a hmyz, žijící v tropech v dokonalých organizovaných společenstvích - termiti neboli všekazi. Metan dále uniká z plynovodů, hlubinných dolů a míst, která zavážíme odpadky. Stoupající koncentrace metanu v ovzduší souvisí s tím, jak nás na naší planetě přibývá - zvířata a třetina


Diplomová práce všech lidí (22 %), přírodní mokřady (21 %), rýžová pole (20 %), úniky z dolů (15 %), závazky a skládky (7 %) a ostatní (15%).

4 Odpady Pod pojmem odpad si lze dnes představit spoustu materiálů - odpadů, které člověk může recyklovat a nebo neumí dále účelně zpracovat. Např. radioaktivní odpad. S postupným rozvojem vědy a techniky nám tohoto nebezpečného odpadu přibývá a zatím ho neumíme ekologicky zpracovat. Za předpokladu, že jeden milion obyvatel žije na ploše 10 000 km2, vyprodukují tito lidé tolik odpadů, že na jeden kilometr jejich obývané plochy přibude 1 kt odpadů. A v těchto vyprodukovaných odpadech nemáme zahrnuty odpady průmyslové a nebezpečné. V roce 1 n.l. žilo na zemi 250 mil. lidí. V roce 1600 500 mil. a do třetího tisíciletí vstoupily 3 miliardy obyvatel. A v roce 2050 má být pravděpodobně 15 miliard obyvatel této planety. A to by už měly být za pomocí vědy a výzkumu otázky, týkající se zneškodňování nebezpečných opadů, už vyřešeny. Jinak dojde k zamoření planety. 4.1 Základní pojmy V této kapitole budou uvedeny základní pojmy z odpadového hospodářství podle zákona 185/2001 Sb. Odpad je každá movitá věc, které se osoba zbavuje nebo má úmysl nebo povinnost se jí zbavit a přísluší do některé ze skupin odpadů uvedených v příloze č. 1 k tomuto zákonu. Nebezpečný odpad - odpad uvedený v Seznamu nebezpečných odpadů uvedeném v prováděcím právním předpise a jakýkoliv jiný odpad vykazující jednu nebo více nebezpečných vlastností uvedených v tab. 9 k tomuto zákonu Komunální odpad - veškerý odpad vznikající na území obce při činnosti fyzických osob, s výjimkou odpadů vznikajících u právnických osob nebo fyzických osob oprávněných k podnikání. Odpadové hospodářství - činnost zaměřená na předcházení vzniku odpadů, na nakládání s odpady a na následnou péči o místo, kde jsou odpady trvale uloženy a kontrola těchto činností. Nakládání s odpady - jejich shromažďování, soustřeďování, sběr, výkup, třídění, přeprava a doprava, skladování, úprava, využívání a odstraňování. Zařízení - technické zařízení, místo, stavba nebo část stavby.


Diplomová práce Shromažďování odpadů - krátkodobé soustřeďování odpadů do shromažďovacích prostředků v místě jejich vzniku před dalším nakládáním s odpady, Skladování odpadů - přechodné umístění odpadů, které byly soustředěny (shromážděny, sesbírány, vykoupeny) do zařízení k tomu určeného a jejich ponechání v něm. Skládka odpadů - technické zařízení určené k odstraňování odpadů jejich trvalým a řízeným uložením na zemi nebo do země. Sběr odpadů - soustřeďování odpadů právnickou osobou nebo fyzickou osobou oprávněnou k podnikání od jiných subjektů za účelem jejich předání k dalšímu využití nebo odstranění. Tab. 9 Seznam nebezpečných vlastností odpadu Kód Nebezpečná vlastnost odpadu Hl H2 H3-A H3-B H4 H5 H6 H7 H8 H9 H10 Hll H12 H13 H14

Výbušnost Oxidační schopnost Vysoká hořlavost Hořlavost Dráždivost Škodlivost zdraví Toxicita Karcinogenita Žíravost Infekčnost Teratogenita Mutagenita Schopnost uvolňovat vysoce toxické nebo toxické plyny ve styku s vodou, vzduchem nebo kyselinami s vodou, uvolňovat nebezpečné látky do životního prostředí při odstraňování Schopnost Odstraňování Ekotoxicita

Výkup odpadů - sběr odpadů v případě, kdy odpady jsou právnickou osobou nebo fyzickou osobou oprávněnou k podnikání kupovány za sjednanou cenu. Úprava odpadů - každá činnost, která vede ke změně chemických, biologických nebo fyzikálních vlastností odpadů (včetně jejich třídění) za účelem umožnění nebo usnadnění jejich dopravy, využití, odstraňování nebo za účelem snížení jejich objemu, případně snížení jejich nebezpečných vlastností. Materiálové využití odpadů - náhrada prvotních surovin látkami získanými z odpadů, které lze považovat za druhotné suroviny, nebo využití látkových vlastností odpadů k původnímu účelu nebo k jiným účelům, s výjimkou bezprostředního získání energie.


Diplomová práce Energetické využití odpadů - použití odpadů hlavně způsobem obdobným jako paliva ) za účelem získání jejich energetického obsahu nebo jiným způsobem k výrobě energie. Původce odpadů - právnická osoba, při jejíž činnosti vznikají odpady nebo fyzická osoba oprávněná k podnikání, při jejíž podnikatelské činnosti vznikají odpady. Oprávněná osoba - každá osoba, která je oprávněna k nakládání s odpady podle tohoto zákona nebo podle zvláštních právních předpisů. Tab. 10 Způsoby využívání odpadů Kód Způsob využívání odpadů Rl R2 R3 R4

Využití odpadů způsobem obdobným jako paliva nebo jiným způsobem k výrobě energie Získání/regenerace rozpouštědel Získání/regenerace organických látek, které se nepoužívají jako rozpouštědla (včetně kompostování a dalších biologických procesů) Recyklace/znovuzískání kovů a kovových sloučenin

4.2 Základní právní úpravy v odpadovém hospodářství ve vybraných státech V následujících několika odstavcích je naznačen vývoj legislativních předpisů v rámci životního prostředí ze vybraných zemích Evropy. Finsko - byla provedena celková reforma (zákona o ochraně zdraví, vodního zákona, stavebního zákona) a došlo k vypracování zákona v roce 1979. Tato úprava se týká veškerého odpadu. Stanoví, že nakládání s odpadem musí vést k jeho využívání bez škodlivých vlivů na životní prostředí (ŽP), při výstavbě nových podniků je nutno předložit plán recyklace odpadů a ochrany ŽP. Nebezpečný odpad nesmí být dovážen a vyvážen bez souhlasu ministerstva vnitra, ústředním orgánem státní zprávy v oblasti odpadů je MŽP. Pro nakládání s nebezpečným odpadem je řada zvláštních předpisů (zákon o jedech, hnojivech, o radioaktivních látkách, ochraně proti záření). Holandsko - vymyká se obvyklým zákonům v Evropě, neobsahuje materiálně právní ustanovení na ochranu ŽP, ani nestanoví cíle státní politiky v této oblasti. Obecné otázky využívání a odstraňování odpadů patří do kompetence ministra bydlení, územního lánování a ŽP, zejména problematika udělování licencí, řešení nebezpečných a havarijních situací, jmenování zvláštních úředníků zajišťujících realizaci příslušných předpisů. Konkrétní relevantní otázky řeší příslušní ministři. Speciální úprava je věnována RAO (zákon 82/1963 o jaderné energii). Německo - složitý proces, jedná se o sjednocení právních předpisů bývalé NSR a NDR. Oblast využívání a zneškodňování odpadů popisuje spolkový zákon z 5. 1. 1977 o odstraňování odpadů. Významným nástrojem v řízení ochrany ŽP jsou sankce (samostatný oddíl "Trestné činy proti ŽP"). Pro odpady, které nelze odstranit společně s TKO, platí povinnost vést průkazní knihy. Za porušení zákona lze udělit pokutu v přepočtu až 2 000 000 Kč. V obecném zájmu lze dokonce za odpad považovat také motorová vozidla bez poznávací značky a do měsíce je lze odstranit. Norsko - podmínky pro skladování, sběr, atd. stanoví úřad pro kontrolu znečišťování. Každý, kdo poruší nařízeni o nakládání s odpady, se musí postarat o nápravu. 42 PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory Pro www.fineprint.cz

Diplomová práce Portugalsko - hlavní důraz na "čisté technologie", recyklaci. Rakousko - pravomoci v této oblasti mají jednak jednotlivé spolkové země a jednak stát jako celek (shromažďování upotřebených olejů, nebezpečný odpad, aj.). Využívání a zneškodňováni TKO a místního průmyslového odpadu patří do kompetence měst a obcí. Řecko - patrně se jedná, co do rozsahu o největší zákon v ŽP v Evropě. Základní instancí pro zajištění účelného nakládání s odpadem jsou místní správní orgány, tyto však z důvodů jeho složení, povahy nebo množství mohou jeho likvidaci odmítnout a pak odpovídá za zneškodnění odpadu původce. Švédsko - měli první Evropský zákon, který měl v názvu Ochranu ŽP, zajímavé jsou státní podpory pro zařízení na zpracování odpadů, tyto mohou dosáhnout až 50 %. Švýcarsko - zužitkovat, zneškodnit nebo odstranit odpady v souladu s předpisy je povinen vlastník. Spolková rada je zmocněna stanovit zvláštní způsoby nakládání s určitými odpady, má velkou pravomoc v oblasti odpadového hospodářství. Velká Británie - spolu s řeckým je patrně nejrozsáhlejší. Sankce za jeho porušení jsou v rozmezí 6 měsíců až 5 let odnětí svobody, nebo pokutou 400 liber šterlingů a výše. Je zakázáno vybírat z kontejnerů nebo skládkách jakýkoliv odpad. Zvláštní definice je pro domovní odpad - "sledovaný odpad".


Diplomová práce

4.3 Členění odpadů do následujících skupin Tab. 11 Přehled skupin odpadů Třída 01 00 00 02 00 00 03 00 00 04 00 00 05 00 00 06 00 00 07 00 00 08 00 00 09 00 00 100000 110000 120000 13 00 00 14 00 00 150000 160000 17 00 00 180000 19 00 00 20 00 00

Druh odpadů Odpady z geologického průzkumu, z těžby, úpravy a zpracování nerostů Odpady z primární produkce zemědělské a zahradnické, z lesního hospodářství, z rybářství a z výroby a zpracování potravin Odpady ze zpracování dřeva Odpady z kožedělného a z textilního průmyslu Odpady ze zpracování ropy, z čištění zemního plynu a z pyrolytického zpracování uhlí Odpady z anorganických chemických výrob Odpady z organických chemických výrob Odpady z výroby, ze zpracování, z distribuce a z používání nátěrových hmot, lepidel, těsnicích materiálů a tiskařských barev Odpady z fotografického průmyslu Anorganické odpady z tepelných procesů Anorganické odpady s obsahem kovů ze zpracování kovů, z povrchové úpravy kovů, z hydrometalurgie neželezných kovů Odpady z tváření a z obrábění kovů a plastů Odpady olejů (kromě jedlých olejů a olejů uvedených ve skupinách 05 00 00 a 12 00 00 ) Odpady organických látek používaných jako rozpouštědla (kromě odpadů uvedených ve skupinách 07 00 00 a 08 00 00 ) Odpadní obaly, sorbenty, čistící tkaniny, filtrační materiály a ochranné tkaniny Odpady jinde v katalogu neuvedené Stavební a demoliční odpady Odpady z humánní a veterinární léčebné péče (bez odpadů z přípravy jídel) Odpady ze zařízení na úpravu odpadů, ze zařízení ke zneškodňování odpadů, z čistíren odpadních vod a z vodárenství Odpady komunální, podobné odpady ze živností, z úřadu a z průmyslu, včetně odděleně sbíraných složek těchto odpadů

5 Komunální odpad Je to směsný odpad ze služeb a obchodů, veřejných úřadů a institucí a drobných řemeslných provozoven a odpad z bydlení. V naší republice se v roce 1998 evidovalo 4,5 mil. tun tohoto a jeho podobného odpadu. Z toho bylo 65% směsný komunální odpad a to představuje 281 kg na jednoho obyvatele za rok. Zbývajících 35% tvoří oddělené sběrně využitelné odpady. Z toho 0,5 % tvoří nebezpečné složky a 3,2 % kompostový odpad z údržby zeleně. Dále 16,5 % septiky a žumpy a zbytek tvoří odpady z obcí. 5.1 Nakládání s odpady v České republice


Diplomová práce Tab. 12 - Nakládání s komunálními odpady v ČR v r. 1998-1999 Způsob nakládání Úprava a/nebo využití fyzikálními a chemickými postupy Úprava a/nebo využití biologickými metodami Zneškodnění spalováním Zneškodnění spalováním s využitím tepla Skládkování Skladování Využití jako druhotná surovina Uloženo do podzemních prostor Nakládání celkem

Množství [ t ] 1998 68974

1999 72553

625 686

539 723

4196 176 128 2109535 57238 340 464 2 3 382 223

7511 320 940 2 720 290 190321 313982 30224 4 195 544

Graf: Nakládání s komunálními odpady v ČR (1998) 2% 5%

fyzikálně - chemické postupy

10%

spalování využití jako druhotná surovina biologické metody

19% 62%

skládkování nebezpečných odpadů skládkování

2%

5.2 Činnost v oblasti odstraňování komunálních opadů lze rozdělit do dvou skupin a) odvoz odpadů ü přechování ü shromažďování ü odvoz

b) zneškodňování odpadů: ü skládkování ü kompostování ü tepelné zpracování


Diplomová práce

Původci odpadů jsou podle nového zákona mimo jiné povinni shromažďovat odpady tříděné podle jednotlivých druhů a kategorií, nevyužité odpady trvalé nabízet k využití jiným subjektům, teprve nevyužité odpady mohou zneškodnit. Ve všech fázích manipulace s odpady musí být odpady zabezpečeny tak, aby nedošlo k jejich nežádoucímu znehodnocení, odcizení nebo úniku ohrožujícímu životní prostředí. Tyto podmínky musí splňovat i technické prostředky určené pro shromažďování, sběr a přepravu odpadů. 5.3 Shromažďování komunálních odpadů Se separací odpadů z domácností mají zkušenosti většinou občané našich měst. V malých obcích se komunální odpad zpracovává nebo shromažďuje v menších procentech z toho důvodu, že obce nemají dostatek finančních prostředků na stavby čisticích zařízení a sběrných míst pro PET-láhve, plasty, papír, sklo. Ale je zde možnost využít biologický odpad pro anaerobní vyhnívání, při které vzniká bioplyn v němž je 60 – 80 % metanu. A právě této možnosti by se právě měli chytit dnešní zemědělská družstva, popřípadě soukromí zemědělci a začít tento odpad

ekologicky zpracovávat pro dobro vesnice a finančních výnosů

soukromých zemědělců. Pro využití této myšlenky bude třeba finanční příspěvek z EU na podporu programu energie z obnovitelných zdrojů energie. Ale podle mých informací nás v tomto roce EU nezačlenila do tohoto programu. Jedinou společností, která poskytuje tuto investici je CzechIndustry a to do výše 10 mil. korun. S touto dotací by i menší obec mohla lépe a levněji využívat odpad, ale ten by se musel také třídit a musela by se vybudovat speciální sběrná místa a odvoz odpadů.

5.4 Typy organizací sběru odpadu ü donáškový sběr ü odvozový sběr

5.4.1 Donáškový způsob Je méně pohodlný pro občany a vyžaduje jejich aktivitu. Jeho použití

je možné ve všech typech zástavby. Ohled však musíme brát na velikost

donáškových nádob, která jsou méně přijatelná pro menší zástavbu bytových domů v centrech měst. Mohou se využívat tyto druhy: sklo, plasty, papír.


Diplomová práce

Nádoby (kontejnery) Jsou používány nádoby menších rozměrů od 0,2 do 2,5 m3, jsou položeny v tzv. hnízdech (více nádob pro jednotlivé druhy odpadu) nebo jsou instalovány jako vícekomorové (do jedné nádoby je sbíráno více druhů).

Sběrná místa Sběrná místa jsou nejčastěji zřizována na veřejných prostranstvích v blízkosti obchodů a nákupních center, zastávek hromadné dopravy, škol a zdravotních středisek. Také se zajišťuje tento sběr v ulicích na místech s větší frekvenci pohybu obyvatel. Hustota těchto sběrných míst je obvykle 200 obyvatel na jedno sběrné místo a donášková vzdálenost by neměla překročit 100 – 150 m, ale v dnešní době tento způsob přechází k odvozovému sběru odpadů.

Da

lší formou donáškového sběru jsou donáškové dvory. Jsou jako doplněk

celoplošných systémů odděleného sběru komunálního odpadů. V zahraničí jsou tato zařízení provozována jako recyklační dvory. Vedle sběru jsou zde také prováděny další úpravy (dotříďování, lisování, drcení), zpracování (demontáž elektrošrotu, štěpkování odpadu z dřevin) a prodej využitelných složek odpadů (použitelný nábytek a další zařízení domácnosti, použitelné autosoučásti). A v rámci provozu těchto dvorů je zajištěn odvoz odpadů na vyžádání. S ohledem na relativně vysoké náklady by měly být umístěny v oblastech s vyšší hustotou zalidnění např. 2 000 – 20 000 obyvatel. A dojezdová vzdálenost do sběrných dvorů by se měla pohybovat v rozmezí 3 – 5 km.

5.4.2 Odvozový sběr Při odvozovém způsobu sběru jsou sběrná místa zřizována v blízkosti domovních vstupů nebo uvnitř obytných objektů. Donášková vzdálenost by neměla přesáhnout 50 m. Tento způsob je vhodný především ve starší zástavbě bytových domů, kde sběrné nádoby jsou umístěny přímo v domě nebo ve dvorech. Tento způsob sběru se uplatňuje také v zástavbě rodinných domů nebo sídlištích. S ohledem na krátkou donáškovou vzdálenost je odvozový způsob sběru velmi pohodlný. Tento způsob však často vede k zvyšování počtu odděleně shromažďovaných


Diplomová práce zásobníků (popelnic). Je tu však problém s výpary, které unikají z těchto kontejnerů a zamořují svým hnilobným pachem prostředí. Tento problém se řeší v zemích EU, že tyto kontejnery po vysypání automaticky umyjí desinfekční tekutinou. A na tohle u nás zatím nejsou peníze. A proto by se měl najít lepší způsob konstrukce kontejnerů, např. vytvořit kontejner s dvěma komorami. V jedné by byl odpad skladován na potřebnou dobu (týden) a druhou prázdnou komorou, do které by občan vházel odpad, který by byl manuálně přesunout do komory první. Sbírané složky jsou odděleně shromažďovány do nádob menších objemů, okolo 80 – 240 l, existují však i 1100 l na sídlištích.

Typy odpadních zásobníků: obr. 28

35 l, 50 l, 70 l, 110 l

120 l, 240 l

770 l, 1100 l

680l, 1100 l

2,2 - 4

5.4.3 Možnosti zpracování komunálních odpadů 5.4.4 Skladování a skládkování odpadů Skládky tohoto odpadů by měly být co nejhlubší a mít co nejmenší povrch. Tvar a hloubka tělesa mají důležitou roli při vzniku skládkového plynu, způsobuje ho migrace, sycení odpadní vodou a případný vliv na životní prostředí v okolí skládky. Příliš mělká tělesa (5 metrů a méně) jsou náchylná na otravu kyslíkem, zastavování biodegradačních procesů a následně nadměrné kontaminaci prosakových vod. Jejich kapacita je rovněž nižší. Tvar tělesa skládky předurčuje: 48 PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory Pro www.fineprint.cz

Diplomová práce Doba a účelnost dosažení anaerobního procesu zakrytých vrstev odpadů Výška hladiny rovnovážného vnitřního přetlaku plynu a hlavní směry šíření plynu Celkové vody ze srážek přijaté povrchem odpadů Množství vody, která odteče mimo odpad při přívalových deštích Celkové vody vypařené z povrchu odpadů

Skládky mohou být: Nadůrovňové - Obr. 29

123456-

vrstva matečné zeminy s křovím a zelení těsnící vrstva vrstva odpadů, max. 1,8 m vrstvy inertního materiálů úprava planýrováním dovoz


Diplomová práce

Podůrovňové - obr . 30

1 - větrolam 2 - příjezdová rampa 3 - hladina podzemní vody 4 - demoliční materiál 5 - výkopová zemina 6 - neškodné organické látky 7 - stavební konstrukce 8 - spád 9 - mezivrstva 10- ozeleněná krycí vrstva 11- vrstva odpadu max. 1,8 m 5.4.5 Biologická cesta zpracování odpadů: ü kompostování a následná výroba bioplynu ü biodegradace ü fyzikální a chemické zpracování odpadů

5.4.6 Kompostování Je aerobní rozkladný proces biologických odpadů (komunálních, zemědělských), jeho účelem je co je nejrychleji a co nejhospodárněji odbourat původní organické substance v odpadu a převést je na stabilní humusové látky, které jsou prospěšné rostlinám k jejím růstu. Během tohoto procesu se zhodnocuje organická substance v odpadu pomocí aerobních mikroorganismů za přístupu vzduchu (kyslíku), který slouží jako živina, zdroj energie. Při tom se část uhlíku buněčné tkáně mikroorganismu váže a část se uvolňuje jako oxid uhličitý. Dochází k hydrolýze bílkovin, sacharidů a tuků.


Diplomová práce

Produkty hydrolýzy: •

Aminokyseliny

•

Monosacharidy

•

Alifatické alkoholy

se částečně přeměňují za vývinu tepla na organické kyseliny (octová, máselná, propionová) a oxid uhličitý. Za aerobních podmínek dochází značně k ztrátě uhlíku. Při tom vznikají bílkovinné mikroorganismy a dále CO2, voda a v závislosti na pH také amoniak. Při dostatečném přísunu kyslíku se amoniak oxiduje na nitrát. Kompostování odpadů je ve srovnání se skladováním skutečným způsobem jejich zneškodnění. Materiály uložené na skládkách zůstávají v podstatě nezměněny po dlouhou dobu a můžou způsobit kontaminaci vody či ovzduší. Přednost kompostování spočívá v tom, že umožňuje vrátit původní materiály do přirozených potravních cyklů. Při kompostování dochází ke zneškodňování škodlivých látek jejich rozkladem (biodegradace) případně přeměnou na jiné materiály. Úrodnost zemědělské půdy se po staletích udržovala využíváním organických zbytků zejména vyzrálé chlévské mrvy. V současné době lze podstatně zvyšovat úrodnost půdy průmyslovými hnojivy. Avšak v případech, kdy se do půdy nedodává dostatečné množství humusu, půda se vyčerpává, eroduje a ztrácí úrodnost a přirozenou odolnost proti chorobám půdních organismů. Smyslem kompostování je vyrobit humusové látky podobné půdními humusu, získat rostlinné živiny v pomalu působících formách uvolňovaných v půdě v rytmu růstu rostlin a čerpání živin z půdy za předpokladu výroby hygienicky nezávadného produktu. Protože kompostování je biologický proces, je třeba těchto cílů dosáhnout biologickými prostředky. Většina odpadů obsahuje na povrchu i uvnitř (např. nahnilá zelenina a ovoce) velké množství mikroorganismů. Jsou to většinou organismy z cizí půdy a proto nejsou schopny vyprodukovat humusové látky. Je třeba upravit kompostovou základku půdní mikroflórou, tedy prakticky svou zeminou.


Diplomová práce Dá se očekávat zvýšený zájem o kompost jako hmotu pro rekultivace skládek odpadu a pro rekultivaci půd narušených půdní činností. A jako podpůrného substrátu pro biologickou sanaci půd kontaminovaných organickými cizorodými látkami. Více viz. kapitola Kompostování.

6 Spalování odpadů Pod pojmem tepelné zpracování odpadů je zahrnuto především jejich spalování a pyrolýza a dále různé procesy zplyňování a zkapalňování odpadů a rovněž tzv. mokrá oxidace.

Cílem spalování odpadů je snížit množství organických kontaminantů v odpadech, omezit celkové množství odpadů (a tím zaplnění skládek) a zakoncentrovat těžké kovy v zachycovaném popílku. Využití tepla vzniklého v tomto procesu je jistě pozitivním vedlejším jevem, není to však hlavní důvod pro volbu této metody zneškodňování. To platí zejména pro spalování nebezpečných odpadů. Spalovat by se však mělo jen minimální množství odpadů, které již nelze využít jako druhotné suroviny. Podle odhadu Spolkového úřadu pro životní prostředí v Berlíně lze nejméně polovinu komunálních odpadů recyklovat (včetně kompostování), u průmyslových odpadů je tento podíl většinou ještě větší.


Diplomová práce

Obr. 31 Spalovna odpadů v Rakousku Spalování odpadů, zejména nebezpečných, se proto dnes nepovažuje za proces jejich tepelného využití, ale za součást procesu nakládání s odpady, tedy za ekologické opatření. Na obr. 32 je ukázán diagram složení odpadů, určujícího možnosti jejich spalování. Ve vyšrafované oblasti se nacházejí odpady o takovém složení, které hoří bez použití přídavného paliva.


Diplomová práce

Obr. 32 Diagram spalitelnosti odpadů Účinné zneškodňování odpadů spalováním vyžaduje kombinaci těchto kroků: ü separace škodlivých látek, ü recyklování, včetně biologických procesů, ü tepelné zpracování nerecyklovatelných zbytků odpadů s cílem rozložit všechny toxické látky v nich obsažené, využití energie a zbytků v nejvyšší možné míře, ü ukládání nevyužitelných zbytků. Technologiím omezování vzniku odpadů či jejich regenerace nebo přepracování je třeba vždy dát přednost před jejich spalováním. V dnešní době se však spalování považuje za neoddělitelnou součást odpadového hospodářství, které by mělo předcházet jejich ukládání na skládky. Spalování odpadů je vhodným procesem zneškodňování zejména v hustě obydlených oblastech, kde je nedostatek půdy pro skladování neupravených odpadů. Na druhé straně má však některé nedostatky ekonomického, technického i ekologického charakteru. Jsou to zejména vysoké investiční a provozní náklady, nezbytnost kvalifikované obsluhy a dokonalé kontrolní a měřicí zařízení. 6.1.1 Druhy odpadů použitelných pro spalování Spalováním lze zneškodňovat různé druhy odpadů: tekuté kaly, tuhé odpady i plynné odpady. V některých spalovnách lze spalovat různé druhy současně. Většina odpadů patří mezi méně hodnotná paliva a jejich spalování není bez problémů. To platí zejména o komunálním odpadu, který je různorodým materiálem o rozdílných vlastnostech a rozměrech jednotlivých 54 PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory Pro www.fineprint.cz

Diplomová práce složek. Spalovací pece proto musí vyhovovat řadě vzájemně si odporujících požadavků. Např. rozvolněný papír shoří velmi rychle, ale balík časopisů nikoliv, pneumatika projde spalovacím zařízením jen ohořelá, hliník se taví a může zalepovat roštnice. Obtížně spalitelné odpady je nutno mísit s dobře spalitelnými v poměru, který ještě zaručuje trvalé hoření směsi. Jsou to zejména odpady s vysokým podílem inertních materiálů nebo silně vlhké a spékavé odpady. V počáteční fázi spalování a v případech, kdy výhřevnost odpadů je příliš malá, je nutno používat přídavného paliva. Jakost paliva je určována třemi hlavními hodnotami - obsahem hořlavin, popelovin a vody. Pokud má palivo dostatečný obsah hořlaviny, je schopné hoření. Odpady pro spalování lze rozdělit do čtyř skupin: ü komunální odpady, ü průmyslové odpady, ü

čistírenské kaly

ü

zvláštní odpady

Výhřevnost komunálních odpadů se pohybuje mezi 4 000 - 10 000 kJ.kg-1, výhřevnost průmyslových odpadů je uvedena v tabulce 12. Tab. 12 Výhřevnost průmyslových odpadů Druhy odpadů

kJ.kg-1

Odpadní pryž

21 000 - 25000

Odpadní kůže

16 000

Piliny

19 000

Polyethylen

46 000

Kaly ze zpracování ropy

9 300

Kaly ze zpracování dehtu

31 000

6.1.2 Principy spalování Spalování tuhých odpadů probíhá složitými procesy. Odpady se zahřívají stykem s horkými spalinami nebo předehřátým vzduchem a sáláním ze stěn pece. Při teplotách 50 - 150 °C dochází k vysušení materiálu. Při vyšších teplotách vznikají složitými rozkladnými procesy těkavé látky. Tyto látky jsou obecně hořlavé a po vznícení hoří plamenem. Zbývající materiál se dále odplyňuje a hoří značně pomaleji.


Diplomová práce Tuhé odpady lze spalovat bez přídavného paliva tehdy, dosahuje-li jejich výhřevnost nejméně 5 000 kJ. kg" . Takové palivo musí mít: ü

obsah popelovin < 60 %

ü

obsah vlhkosti < 50 % ü obsah prchavé hořlaviny > 25 % Jelikož odpad, na rozdíl od klasických paliv, obsahuje četné látky, např. sloučeniny chloru a fluoru, jejichž produkty spalování mohou ohrozit prostředí, je nutné, aby při spalování odpadu byly dodrženy tyto základní podmínky: 1. Dostatek spalovacího vzduchu, který je přiváděn s l ,5 až 2násobným přebytkem. Složení odpadu je totiž velmi různorodé a je nutné, aby byl zajištěn přebytek kyslíku za každých podmínek. 2. Dostatek tepla je nutný hlavně k rychlému zahřátí odpadu na zápalnou teplotu. Při pomalém zahřívání odpadu se část škodlivin nemusí spálit, ale během zahřívání na zápalnou teplotu, která se u odpadu pohybuje v rozmezí 250 - 400 °C, se odpaří a unikne do ovzduší. 3. Dostatečná teplota hoření . Vzhledem k zápalné teplotě sazí, která se pohybuje mezi 700 - 750 °C, je nutné, aby v prostoru spalovací komory neklesla pod 800 °C. Ve spalovnách komunálního odpadu musí být teplota spalin ve spalovací komoře vyšší než 850 °C. Ve spalovnách průmyslového odpadu musí být vždy dohořívací komora, ve které je podle druhu odpadu udržována teplota 900 až 1200 °C. 4. Dostatečné zdržení spalin v pásmu vysokých teplot. Jelikož spalování látek neprobíhá okamžitě, ale potřebuje k vyhoření dostatek času, musí se spaliny z odpadů zdržet (podle zákona č. 309/1991 Sb.) v dohořívací komoře l až 2 s.

6.1.3 Chemické hledisko Spalování lze z chemického hlediska zjednodušeně vyjádřit jako exotermickou oxidaci základních složek spalovaného produktu v plynné fázi. Následující rovnice C nHm + (m/2 + n) O2 ----> nCO 2 + m H 2O + Qcal představuje nejjednodušší teoretický případ.


Diplomová práce Další doprovodné chemické reakce mohou vést k tvorbě škodlivých či toxických látek ve spalinách: Tvorba oxidu uhelnatého: C + 1/2 O2

> CO

Tuto reakci probíhající za nedostatku kyslíku lze vyloučit řízeným přívodem spalovacího vzduchu. Tvorba oxidů dusíku: N + 1/2 O 2 --->NO x Dusík

přiváděný

vzduchem

je

za

vysokých

teplot

oxidován

kyslíkem

nespotřebovaným pro spalování. Množství vznikajících NOX závisí na teplotě a přebytku vzduchu. Zkušenosti z průmyslu ukazují, že nelze nikdy dosáhnout toho, aby se úplně vyloučil vznik NOX ve spalinách. Pokud spalované materiály (odpady) obsahují chlorované sloučeniny, vznikají při jejich spalování další toxické zplodiny, zejména chlorovodík, chlor a fosgen. Z polychlorbifenylů (PCB), případné dalších chlorovaných látek, mohou za určitých podmínek vznikat rovněž vysoce toxické polychlordibenzofurany a polychlordibenzodioxiny. 6.1.4 Termodynamické hledisko Průmyslově probíhá spalování v otevřeném reaktoru (peci či ohništi), ve kterém dochází k četným tepelným výměnám. Soubor těchto procesů sdílení tepla může vést k samovolně udržované rovnováze, odpovídající optimálním podmínkám zvoleným pro zajištění, co možná nejvyšší účinnosti destrukce. Nejdůležitější parametry řídící tuto rovnováhu jsou popsány níže. ü Fyzikální charakteristiky odpadu Spalování kapalin: kapaliny by měly být před vlastní spalovací reakcí převedeny do plynného stavu. Pro dosažení dobrého výsledku spalování je proto zapotřebí rychlého odpaření. K tomu je třeba maximálně zvětšit povrch sdílení tepla mezi kapalinou a plynem. Kapalné odpady mají být rozprášeny ve formě směsi jemných kapiček; každá kapička zahřátím obdrží určité množství tepla úměrné jejímu povrchu tak, že pro danou kapku je účinná rychlost vypařování nepřímo úměrná průměru; proto jsou nejvýhodnější kapičky s co nejmenším průměrem. Z toho důvodu jsou podmínky spalování ovlivňovány dynamickou viskozitou kapalin. Nejlepšího rozprášení a nejkratší reakční doby se dosahuje u hořlavých kapalin s nízkou viskozitou.


Diplomová práce Spalování pevných látek. Stejně jako u kapalin má i u pevných látek rozměr částic vliv na rychlost spalování. Spalování pevných látek je postupným procesem sestávajícím z následujících kroků: ü zplynění těkavých látek, ü hoření těkavých látek, ü hoření zbytkových uhlíkatých struktur. Nově vytvořený povrch tuhé látky vstupuje znovu do reakce a proces se opakuje až do úplného spálení tuhé částice. V případě, že částice tuhé látky je velká, je čas potřebný pro úplné spálení dlouhý. 6.1.5 Chemické charakteristiky odpadu Vedle již dříve uvedených charakteristik založených na obsahu jednotlivých chemických prvků sem patří výhřevnost, obsah vody a složení spalovacího vzduchu. Kromě toho většina termodynamických rovnovah záleží i na teplotě a době, během níž jsou molekuly vystaveny vysokým teplotám. ü Výhřevnost je v podstatě množství tepla uvolněné úplným

spálením hmotnostní

jednotky spalované látky. Toto množství záleží pouze na chemickém složení paliva. ü Obsah vody (vlhkost) - přítomnost vody ovlivňuje spalovací proces jednak tím, že mění rovnovážné podmínky spalování, jednak tím, že spotřebovává teplo pro své ohřátí a vypaření. ü Spalovací vzduch - kyslík nezbytný pro spalování je přiváděn

vzduchem. Složení

paliva určuje stechiometrické množství vzduchu potřebné pro jeho spálení. V praxi však není nikdy dosažena dokonalá směs reakčního vzduchu, vždy se musí používat přebytku vzduchu. Tím dochází ke snížení teoretické spalovací teploty a zvýšení objemu spalin. Přebytek vzduchu je nejdůležitějším parametrem pro řízení spalovacího procesu. ü Teplota - rychlost spalování je většinou podporována vysokými teplotami reakčního prostředí. Vysoké teploty zrychlují

vypařování a snižují reakční dobu. Výše spalovací

teploty je omezena vlastnostmi konstrukčních materiálů spalovací komory. ü Doba zdržení - doba a čas, během kterého jsou molekuly vystaveny vysokým teplotám, musí být dostatečná pro zajištění kompletního průběhu různých reakcí (zplynění, aktivace,


Diplomová práce spálení). Za vyšších teplot je dostatečná kratší doba zdržení. Doba zdržení kapalin je ovlivněna kvalitou rozprášení, latentním výparným teplem a teplotou samovznícení. V praxi se

střední doba zdržení určuje vztahem: T = V/Q, kde V je objem spalovací

komory, Q objemové množství plynu produkované vsádkou spalovaného materiálu. Objem spalovací komory je dán konstrukcí, doba zdržení plynů je nepřímo úměrná spalované vsázce. Ta je zároveň předurčena přípustnou tepelnou zátěží spalovací komory, takže rozměr zařízení je určující pro kvalitu spalování. Odlišná je situace u pevných látek. Jestliže u kapalin je nutná doba zádrže řádově v sekundách, doba zádrže pevných látek ve spalovacím prostoru může dosáhnout až několika hodin (2-3 hodiny). Proto se pro spalování pevných látek používají vícekomorová spalovací zařízení. V první komoře se vypařují organické sloučeniny a v další komoře (dohořívací) končí spalování plynných zplodin. Teplota v dohořívací komoře se udržuje podle obsahu zbytkových spalitelných látek. Hlavním důvodem zvýšeného zájmu o výstavbu spalovacích zařízení jsou přísná regulační opatření týkající se skládkování odpadů, která mají podstatně omezit množství odpadů ukládaných na skládky. Např. v USA se má podíl skládkovaných odpadů v příštích 4 letech snížit z dnešních cca 75 % na 50 %. Naopak výrazně se má zvýšit podíl spalovaných odpadů ze současných 15 % téměř na dvojnásobek. Spalováním lze celou řadu nebezpečných odpadních látek přeměnit na neškodné látky, jejichž objem je zpravidla malý. Současné technologie spalování odpadů jsou založeny v podstatě na dvou metodách: ü spalování tuhých odpadů ve spalovnách, k němuž je uzpůsobena většina existujících zařízení, ü spalování kapalných i tuhých odpadů v rotačních cementových pecích. Spalovny, ve kterých se zneškodňují komunální odpady, pracují normálně při teplotách 800 - 900 °C. Avšak pro zneškodňování zbytků halogenovaných látek je třeba vyšších teplot (1200 - 1500 °C). V zahraničí se již staví spalovny, ve kterých se dosahuje teplot 2500 - 2700 °C (např. spalovna firmy Occidental Chemical v USA). Rotační pece lze použít pro zneškodnění různých druhů materiálů (pevné látky, kaly, kapaliny, plyny). Jsou velmi vhodné v chemických závodech pro spalování odpadů přímo v místě jejich vzniku.


Diplomová práce Nejdůležitějšími charakteristikami spalovacích zařízení jsou doba a teplota spalování a účinnost promíchávání, které musí být dostačující k jejich úplnému zneškodnění. Spalování zvláštních, zejména nebezpečných, odpadů vyžaduje speciální zařízení s teplotou v rozmezí 900 - 1300 °C, prodleva spalin ve spalovacím prostoru musí být minimálně 3 sekundy. Čištění spalin musí být v souladu s příslušnými předpisy. 6.2 Spalovny u nás a v zahraničí První spalovna u nás byla postavena v r. 1905 v Brně, v Praze byla městská spalovna vybudována v r. 1933. Od r. 1989 je v provozu moderní spalovna v Brně. Velká spalovna s kapacitou téméř 400 000 t za rok, která jako první u nás bude vybavena moderním zařízením na čištění spalin, se staví v Praze-Malešicích. Spalovny odpadů, zejména nebezpečných, jsou nákladnými zařízeními. Např. náklady na výstavbu vysoce účinné spalovny schopné spálit i odpady obsahující PCB a další nebezpečné látky se odhadují na 2 mld. Kč. Ve vyspělých průmyslových zemích je spalování odpadů mnohem rozšířenější, zejména v posledních 20 letech a bude se nadále rozšiřovat. V r. 1987 bylo např. v Japonsku 360 spaloven, spalujících 26 % městských odpadů, v SRN se spalovalo 34 % odpadů, ve Švédsku 51 % a ve Švýcarsku dokonce 75 %. Investiční náklady na výstavbu velké spalovny se odhadují na 250 mil. USD a 30 mil. USD na výstavbu malé spalovny. Spalovny se posuzují podle kapacity a charakteru spalovaných odpadů, typu spalovacího systému a způsobu využití odpadního tepla, chlazení a čištění spalin. Velké spalovny, mezi něž patří i městské spalovny, mají kapacitu 15-60 t.h-1 odpadu.


Diplomová práce Obr. 33 Základní uspořádání spalovny komunálního odpadu l-zásobník odpadů, 2-drapák v zásobníku odpadů, 3-násypka odpadů, 4-svodka odpadů, 5podavač odpadů, 6-rošt, 7-pohony roštů, 8-škvárová svodka, 9-odpadové svodky, 10-mokrý vynašeč Škváry, 11-dmychání primárního vzduchu, 12-kotelna, 13-ofukování výhřevných ploch, 14-elektrostatický odlučovač, 15-vícestupňové čištění spalin, 16-ventilátor na spaliny, 17-komín 6.3 Pochody probíhající při spalování Většina spaloven má ohniště vybavené rošty, na nichž se odpady spalují. Při tom postupně probíhají tyto pochody: l. předsoušení odpadů: odpady se předsoušejí sáláním plamene z dalších pásem spalování a vzduchem, který se přivádí pod rošt (s teplotou kolem 100 °C), 2.

odplyňování odpadů: sáláním plamene nebo klenby spalovacího prostoru se odpady

ohřívají na teplotu 200 - 600 °C, přičemž již dochází k reakcím mezi kyslíkem a uhlíkatými látkami v odpadech, které se začínají odplyňovat a oxidovat. Vyvíjejí se přitom hořlavé plyny, 3. zapálení odpadů: v této fázi, jež se prolíná s druhou fází, vznikají na povrchu odpadového lože místní ložiska hoření, 4.

spalování plynů: lože odpadů povrchově prohořívá a dalším přiváděním spalovacího

vzduchu vznikají nová ložiska hoření. Plyny se vyvíjejí ve větší hloubce, procházejí vyšší vrstvou odpadů a nad nimi vyhořívají. V samotném loži je teplota 500 - 800 °C, vzduch se přivádí v této fázi s přebytkem 10-30%, 5. hoření: hoří plyny i vzniklý polokoks. Teplota se zvyšuje až na l 000 - l 100 °C, teplo vyvinuté v loži se odvádí spalinami, v loži vzniká popel a škvára. Přebytek vzduchu bývá 40%, 6.

vyhořívání a odvádění tepla: plyny i polokoks dále vyhořívají a vzniká velké množství

tepla, které je nutno odvádět. Spalovací vzduch se přivádí v přebytku 20 až 40 %, teplota je až 1200 °C, musí se udržovat pod bodem tavení popela vysokým přebytkem vzduchu. Z roštu odcházejí popel, škvára a nespalitelné zbytky odpadů. Tento sled spalovacích pochodů je podobný ve většině konstrukcí ohnišť, z nichž největší význam mají dále uvedené druhy spalovacích zařízení. 6.4 Druhy spalovacích pecí a topenišť Rotační pece (obr. 34) jsou vyzděné válce s mírným sklonem, které se pomalu otáčejí a tím zajišťují míšení odpadů. Teplo je předáváno spalinami všemi třemi způsoby, tj. sáláním 61 PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory Pro www.fineprint.cz

Diplomová práce plamene na odpady i na odkrytou část vyzdívky, sdílením tepla ze spalin na odpady a vedením tepla z horké vyzdívky do lože odpadů. Tento typ pecí je zvlášť výhodný pro směs průmyslových i komunálních odpadů, pastovité i kapalné odpady a kaly. Spalovací teploty jsou 1100 - 1200 °C.

Obr. 34 Rotační pec se zařízením na čištění spalin l- Šnekový podavač, 2-násypka, 3-nepřímo vyhřívaná rotační pec, 4-vytápěná rotační pec, 5výpusť spalin, 6-vyzdívka výpustě, 7-spalovací komora, 8-pomocný a zapalovací hořák, 9chlazení spalin, 10-vstřikování vody, 11-vstřikování vápna, 12-textilní filtr, 13-umělé větrání, 14-komín Muflové pece, případně spalovny s muflovým ohništěm, se používají zejména ke spalování zdravotnických odpadů, ropných produktů obsahujících kaly z čistíren, zbytků barev, laků a odpadů z plastů. Provoz je periodický, to znamená, že do prázdné zchladlé pece se zavezou odpady, pak se topeniště uzavře a stabilizačním palivem zahřeje. Teprve pak se začínají spalovat odpady a nakonec se vstřikují kapalné odpady. Spalování probíhá při teplotách 800 1200 °C. Etážové pece (obr. 35) se používají zejména na spalování kalů a odpadů s vysokou vlhkostí. Jsou obdobou etážových pražících pecí používaných v metalurgii na pražení rud. Pec má tvar stojatého válce, po výšce rozděleného na etáže. Osou válce probíhá masivní hřídel, v každé etáži opatřený rameny, na něž se nasazují lopatky ze žáruvzdorné slitiny. V etážích jsou střídavě otvory na obvodě a ve středu. Lopatky jsou nasměrovány tak, že při otáčení hřídele postupují odpady od obvodu ke středu, kde propadnou na níže ležící etáž, na níž jsou opět hrnuty od středu k obvodu. Postupují tak ve spirálách, takže doba průchodu pecí je velmi dlouhá. Proti směru postupu odpadů jde v protiproudu spalovací vzduch. Spalovací teploty jsou nad 800 °C.


Diplomová práce

Obr. 35 Etážová pec 1-patro, 2-násypka, 3-hřídel, 4-ramena, 5-přepadové otvor, 6-přívod vzduchu, 7-odvod spalin, 8-odpad nespálených zbytků Fluidní topeniště a pece (obr. 36) se začínají při spalování odpadů používat teprve v posledních letech, nejčastěji pro kaly a tekuté odpady. Pro fluidní spalování je nezbytné odpady nejprve rozdrtit na stejnorodou zrnitost. Podstata procesu spočívá v tom, že do vrstvy zrnitého materiálu (paliva) se vhání velkou rychlostí a tlakem plyn, který zrna zvíří. Přitom probíhá velmi intezívně spalování v celé vrstvě ohniště. Spalování kapalných průmyslových odpadů probíhá na tzv. uhelném nebo keramickém fluidním loži, což je reaktor válcového tvaru opatřený ve spodní části roštem, na nějž se vhání tlakový vzduch. Nad rošt se přivádí stabilizační palivo (rozemleté uhlí) a rozemletý nebo kapalný odpad. Fluidní topeniště umožňují lépe než jiné systémy spalovat odpady s vysokým obsahem síry, která může být zachycována současně přídavkem mletého vápna či vápence. Z odpadů je třeba odstranit kovové a skleněné předměty, které způsobují slinování fluidní vrstvy. Spalovací teploty jsou 800 - l 000 °C.


Diplomová práce

Obr. 36 Fluidní pec na spalování odpadů l-přívod odpadu, 2-odvod spalin, 3-přívod primárního vzduchu, 4-přívod sekundárního vzduchu U nás se vyrábějí spalovny několika typů a velikostí. Teplotechna Olomouc vyrábí spalovací zařízení SP 50, které je určeno ke spalování tuhých odpadů z nemocnic (s výjimkou látek výbušných). Uranové doly n.p. Zadní Chodov vyrábějí malé spalovny se dvěma šikmými rošty, vhodné pro spalování 200 - 250 kg.h-1 tuhého odpadu. Velké spalovny vyráběla I. brněnská strojírna v Brně a ČKD Dukla Praha, které mají konstrukci s válcovými rošty umístěnými v ohništi sestupně. 6.5 Nové spalovací procesy Snaha o zdokonalení účinnosti promíchávání a stupně a rychlosti zahřívání vedla k vývoji některých nových spalovacích procesů. V zahraničí byl vyvinut vysokoteplotní fluidní reaktor. Teplota používaná při tomto procesu (2500 °C) je podstatně vyšší než u běžných rotačních pecí a umožňuje dokonalé zneškodnění chlorovaných látek. Jiná technologie, plazmové hořáky, používá vysokou teplotu ionizujících plynů a ničí zbytky látek přerušením jejich chemických vazeb. V zahraničí se vyvíjejí a ověřují vícestupňové procesy, kterými lze bezpečně zneškodnit všechny známé chemické látky. Např. zařízení firmy Bofors Nobel v USA využívá biologickou degradaci k zneškodnění závadných organických materiálů. Nebezpečné zbytky, které jsou příliš toxické pro biologické zpracování a příliš zředěné pro spalování, se oxidují mokrým způsobem. Materiály, které se nejobtížněji zneškodňují, jako chlorovaná


Diplomová práce rozpouštědla, se pyrolyzují a organické látky vzniklé pyrolýzou se spalují. Tím se prodlouží životnost spalovacích hořáků, protože se spalují pouze ty látky, které nelze zneškodnit jiným způsobem. Spalování v plazmovém oblouku - proces s názvem Skygas americké firmy Bechtel se dá použít pro konverzi odpadů obsahujících uhlík na plyn sestávající z 87 - 95 % vodíku a oxidu uhelnatého. Ten lze využít jako syntézní plyn pro výrobu amoniaku, močoviny a methanolu. 6.6 Pyrolýza odpadů Alternativou spalovacích zařízení je v současné době pyrolýza, která se pro zneškodňování odpadů považuje za velice perspektivní technologii. Pyrolýza (nebo též odplynění) představuje tepelný rozklad organických materiálů za nepřístupu zplyňovacích médií, jako je kyslík, vzduch, oxid uhličitý, vodní pára. Probíhá tak, že v oblasti teplot 150 až 900 °C se uvolní těkavé látky a výšemolekulární organické látky se rozloží na nížemolekulární a molekuly s dlouhými řetězci se rozštěpí na kratší. Podle použité teploty se rozlišuje: ü nízkoteplotní pyrolýza (reakční teploty pod 500 °C), ü středněteplotní pyrolýzy (reakční teploty 500 - 800 °C), ü vysokoteplotní pyrolýza (reakční teploty nad 800 °C). 6.7 Principy pyrolýzy odpadů Organické sloučeniny se při vyšších teplotách stávají méně stabilními a rozpadají se na jednoduché těkavé produkty a koks. Rozklad organických látek probíhá odštěpením malých molekul z původních makromolekul. Chemické reakce při pyrolýze závisí na výchozím materiálu, obsahu vlhkosti, pyrolýzní teplotě a reakční době. Se zvyšující se teplotou a délkou reakční doby dochází ke vzniku stabilnějších produktů. V oblasti teplot do 200 °C dochází k termickému sušení a tvorbě vodní páry fyzikálním odštěpením vody; tyto procesy jsou silně endotermické. V rozmezí teplot 200 až 500 °C je oblast suché destilace. Zde nastává ve značné míře odštěpení pobočných řetězců z vysokomolekulárních organických látek a přeměna makromolekulárních struktur na plynné a kapalné organické produkty a pevný uhlík. Ve fázi tvorby plynu v oblasti teplot 500 až 1200 °C jsou produkty vzniklé suchou destilací dále rozštěpeny a transformovány. Přitom jak z pevného uhlíku, tak i z kapalných organických látek vznikají stabilní plyny, jako je H2, CO, CO2 a CH4.


Diplomová práce 6.8 Pyrolýzní technologie Pyrolýza je vhodná pro jednotné odpady s neměnným složením. Neosvědčila se pro směsné průmyslové odpady, zejména zvláštní odpady. Odpady se zpravidla pyrolyzují v rotační peci vytápěné zevně spalinami. Vlastní pyrolýzní proces probíhá bez přístupu vzduchu při teplotách 500 - 550 °C, v pyrolýzní komoře, vzniklé plyny se spalují ve druhém stupni, v termoreaktoru. Termoreaktor je vybaven přídavným hořákem pro udržení požadované teploty (v rozmezí 900 - 1300 °C). Pyrolýzní jednotka je vhodná pro šaržovitý provoz pro odpad, který nemá příliš vysoký obsah škodlivin a nemá tendenci ke spékání. Výkon těchto jednotek je maximálně 2,5 tuny odpadu za hodinu. Pyrolýzní technologie pro zpracování odpadů se začaly v průmyslově vyspělých zemích rozvíjet v 70. letech. Dosavadní laboratorní a poloprovozní zkoušky ukázaly, že pyrolýza je nákladnější než spalování a jsou problémy zejména se zneškodňováním pevných materiálů (pyrolýzní koks) a kapalných uhlovodíků, vznikajících při pyrolýze. Na druhé straně při pyrolýze činí menší potíže zneškodňování plynných emisí. Pyrolýzou lze kromě pevného odpadu zpracovávat kaly a podobné polotekuté odpady, včetně nebezpečných odpadů. Pyrolýzní zařízení jsou vhodná pro spalování netoxického odpadu, který není možno dopravovat do velkých středisek zneškodňování. V současné době se ověřuje několik pyrolýzních technologií. Kromě pyrolýzních zařízení s rotačními pecemi se zkoušejí i zařízení autoklávového typu. U nás se začínají používat pyrolýzní zařízení firmy Hoval-Schiestl především ke zneškodňování nemocničních odpadů. Různé parametry přímého spalování a pyrolýzy odpadů jsou porovnány v tabulce 13. Složení produktů vznikajících při spalování a pyrolýze je uvedeno:


Diplomová práce

Srovnání parametrů spalování pyrolýzy: Tab.13 Spalování

Pyrolýza

oxidace, reakce se vzdušným kyslíkem spalovací teplota: 800 - l000°C produkty: tuhé: škvára (oxidovaná) kapalné: voda plynné: CO2, SO3, NOX a jiné

Tepelný rozklad, reakce za vyloučení kyslíku pyrolytická teplota: 500 až l 000 °C produkty: tuhé: tuhý zbytek (redukovaný) kapalné: voda,kapalné uhlovodíky plynné: H2S, CO2, CO, methan, ethan, propan, H2S, NH3 aj.

exotermní reakce citlivá na změněné složení tuhé odpady

endotermní reakce málo citlivá na změněné složení tuhé, pastovité odpady

Tab. 14 Srovnání produktů vznikajících při pyrolýze a spalování Prvek

Pyrolýzní produkt

Spalovací produkt

tuhý zbytek

plyn

C

CO2, CO

C

škvára C

plyn CO2 (CO, C)

CH4, CnHm H

H2, CH4

H2O

H20, CnHm S

síran

H2S

Cl

NH4CI

(HC1)

kovy

redukované kovy

sulfid chlorid Oxid kovů

( ) - malé množství


SO2, SO3 HC1

Diplomová práce 6.8.1 Pyrolýza plazmovým hořákem se označuje jako pyroplazinatický postup. Použitím stejnosměrného proudu se dosahuje teplot v rozmezí 5000 - 10 000°C. Ve zvláštním absorbéru je ovšem třeba zachytit uvolněné atomy halogenů. Další plyny vznikající při pyrolýze (vodík, oxid uhelnatý a nízkomolekulární uhlovodíky) lze zpětně využít k získání energie. Zatím je proces ve stadiu vývoje, jeho nevýhodou jsou velké investiční náklady.

7 Jiné způsoby tepelného zpracování odpadů V posledních letech byly vyvinuty takové alternativní způsoby spalování odpadů, jako je jejich tepelné a chemické zplyňování a zkapalňování. Všechny tyto procesy jsou zatím ve stadiu laboratorního či poloprovozního ověřování a nejsou s nimi dosud téměř žádné praktické zkušenosti. Zmiňujeme se zde o nich jenom pro úplnost jako o perspektivních technologiích 21. století. Zplyňování je přeměna uhlíkatých materiálů při vyšších teplotách na plynná paliva. Na rozdíl od pyrolýzy probíhá v přítomnosti reaktivních plynů, které umožňují další přeměnu vzniklého koksovitého zbytku na plynné produkty. Zplyňování je vlastně další stupeň pyrolýzního procesu, při němž při teplotách nad 800 °C dochází k oxidaci vzniklého pyrolýzního koksu podstechiometrickým množstvím kyslíku. 7.1 Vysokoteplotní zplyňování odpadu Při této technologii odpadá, díky vysokoteplotnímu režimu, hlavní problém klasických spaloven - vznik vysoce toxických dioxinů, furanů a polycyklických aromatických uhlovodíků. Vzhledem k redukčnímu prostředí je zcela potlačen i vznik oxidů dusíku, průvodní jev všech vysokoteplotních procesů. Princip zařízení je jednoduchý. Na spalovací komoru, v níž jsou plynné a kapalné odpady oxidovány žhavou plynnou směsí (při teplotách kolem 1600 °C) na primární plyn, navazuje šachta. Tou se přes systém propustí zavážející odpady tuhé konzistence do vysokoteplotní zóny. Dělicí stěna spolu se šnekovým podavačem umožňuje přesné dávkování do nejteplejšího místa reaktoru. Primární plyn reaguje s odpadem a převádí jej na surový plyn, který dále prostupuje nasypanou vrstvou koksu v další šachtě reaktoru. Ta slouží především jako regenerační filtr žhavého surového plynu. Předčištěný plyn vystupuje při teplotě 800 - l 000 °C potrubím z reaktoru a po předání tepla ve výměníku a vyčištění jej lze použít jako čisté topné médium a může nahradit zemní plyn nebo topný olej. Popeloviny


Diplomová práce obsažené v odpadech i v koksu se při teplotách kolem 1600 °C taví ve spalovací komoře a tato tekutá struska přetéká jako přepad do vodní lázně. Zde prudce tuhne na jemný sklovitý granulát, odolný proti vyluhování, a tudíž použitelný ve stavebnictví. Termochemické zplyňování Zplyňování odpadů umožní vyrábět středně výhřevný plyn. Pravděpodobně v nejvyšším stupni vývoje je americký projekt Renugas, který lze využít pro zpracování takových surovin jako jsou dřevní odpady, zemědělské a městské odpady. Termochemické zkapalnění Zkapalnění odpadů lze uskutečnit přímou pyrolýzou, hydropyrolýzou, nízkoteplotní chemickou hydrogenací nebo ostřejšími hydrogenačními metodami a rovněž nepřímými metodami, např. konverzí meziproduktů jako je syntézní plyn na methanol a uhlovodíky. Nepřímými metodami vznikají s vysokou selektivitou produkty s podobným složením jaké mají uhlovodíková paliva. Mokrá oxidace. Je to oxidační proces ve vodné fázi, ke kterému dochází tehdy, jsou-li organické nebo oxidovatelné anorganické látky důkladně promíchány s plynným zdrojem kyslíku (zpravidla vzduchem) při teplotách 150 - 325 °C a vyšších tlacích. Při zpracování odpadů se tento proces při teplotách 150 - 200 °C používá k usnadnění odvodnění kalů. Při teplotách 200 - 280 °C se používá např. pro regeneraci použitého aktivního uhlí nebo konverzi nerozložitelných látek na biologicky rozložitelné. Při teplotách nad 280 °C dochází k úplné oxidaci. Mokrá oxidace Mokrá oxidace se používá zejména při zpracování odpadů (odpadních vod) obsahujících látky, které jsou biologicky obtížně odbouratelné nebo jsou toxické pro biologicky aktivní kal v čistírnách odpadních vod. Jeho využití se doporučuje rovněž tam, kde jsou jiné metody neekonomické (přímé spalování velkého množství vod s malým obsahem organických látek) nebo ekologicky nevhodné (oxidace chemickými činidly). Výhodné je použití mokré oxidace tam, kde je zpracovaný odpad k dispozici při zvýšené teplotě.


Diplomová práce Mokrá oxidace je ekonomicky výhodná zejména tehdy, kdy se má zpracovávat více než 5 m3 za hodinu odpadní vody s obsahem organických látek (vyjádřeno jako chemická spotřeba kyslíku) v rozsahu 20 - 200 g O 2 na litr. Při nižším obsahu oxidovatelných látek, případně menším množství odpadních vod je výhodnější biologické zpracování. Mokrá oxidace

nachází

nyní

použití

zejména

při zpracování

toxických

nebo

obtížně

zpracovatelných odpadních vod z průmyslu, především chemického, metalurgického a papírensko-celulózového. Různé průmyslové procesy mokré oxidace jako Zimpro, Wetox či Vertech pracují s reakčními teplotami 150 - 350 °C a tlacích l - 20 MPa. Tlak se volí podle teploty tak, aby voda zůstávala v kapalné fázi a aby byl zajištěn dostatečný parciální tlak kyslíku. Reakční podmínky mokré oxidace lze upravit pomocí katalyzátorů (sloučeniny kovů vedlejších podskupin). Oxidační proces nezávisí na stupni disperze oxidovatelné látky a může probíhat v roztoku, v koloidním roztoku i v jemných či hrubších suspenzích. Hlavním kritériem je spotřeba kyslíku, která je 20 - 200 g O2 /litr vody. Vysoce koncentrované směsi nutno naředit na požadované koncentrace. Tento proces je účinný pro zpracování celé řady nebezpečných odpadů. Většina organických látek je oxidována stechiometricky, přičemž z uhlíku vzniká CO2, z vodíku voda, z halogenů halidy, ze síry sulfáty, z fosforu fosfáty a z dusíku amoniak nebo elementární dusík. Nejodolnější jsou halogenované aromatické sloučeniny. Mokrou oxidací při teplotách do 250 °C se snadno zpracovávají odpady obsahující anorganické i organické kyanidy a sulfidy, alifatické uhlovodíky, chlorované alifatické sloučeniny, fenoly, aromatické uhlovodíky a heterocyklické sloučeniny obsahující kyslík, dusík a síru. Odpady obsahující halogenované aromatické sloučeniny s nejméně jednou další funkční skupinou, např. pentachlorfenol, vyžadují pro účinné zneškodnění teploty 250 - 320 °C. Účinné zpracování odpadů obsahujících halogenované aromatické sloučeniny, např. hexachlorbenzen, dichlorbenzen, PCB, vyžaduje mimořádně vysoké teploty nad 320 °C. Mokrou oxidaci využívá celá řada průmyslových jednotek, např. firmy Casmalia Resources (pro odpadní kyanidy, sulfidy, fenoly, nehalogenované pesticidy), Bofors Nobel Inc., Dominion Foun-dries (pro detoxikaci použitého pracího roztoku koksárenského plynu obsahujícího kyanidy, fenoly, thiokyanáty a thiosulfsáty), Uniroyal Chemicals Ltd. (pro detoxikaci odpadních vod z chemického průmyslu).


Diplomová práce Perspektivní

alternativou

k vysokoteplotnímu

spalování

se ukazuje

rovněž

nízkoteplotní mokrá oxidace modifikovaným postupem Winvox. Postup spočívá v zahřátí odpadní suspenze v reaktoru na 80 - 90 °C v přítomnosti katalyzátorů, přičemž se do reaktoru zavádí 50 % peroxid vodíku. Teplo uvolňované při exotermické reakci se využívá k vypaření přebytečné vody. Náklady na zneškodňování odpadů tímto způsobem se odhadují na 2300 USD za tunu, což je srovnatelné s náklady na spalování odpadů obsahujících chlorované bifenyly a jiné nebezpečné odpady.

8 Přednosti a nevýhody spalování Sběr a zneškodňování odpadů představuje všude ve světě významný podíl rozpočtu měst. Průměrné náklady na zneškodňování l tuny odpadů v západní Evropě činí u skládkování 6 USD kompostování 12-24 USD spalování 16-40 USD Spalování je nákladný proces, využívá se proto převážně v husté městské zástavbě, kde jsou ostatní metody nepoužitelné vzhledem k nedostatku místa a značným dopravním vzdálenostem. Spalování je zejména investičně nákladné. Přednosti spalování l. Spalování je rychlý způsob zneškodnění odpadů, jak vyplývá z tabulky 20. Stabilizace odpadů na skládkách trvá několik roků, kompostování několik měsíců. V běžných spalovnách odpady zůstávají na roštu pouze zhruba l hodinu. Tab. 15 Doba nutná pro zneškodnění odpadů Metoda

Doba nutná pro zneškodnění

Spalování Vortex *

Sekundy (drcený odpad)

Spalování v suspenzi

Sekundy (drcený odpad)

Fluidní spalování

Minuty (drcený odpad)

Spalování na roštu

1 hodiny

* Proces, ve kterém je spalovací vzduch obohacen kyslíkem.


Diplomová práce 2. Spalováním se dosáhne podstatně účinnějšího snížení objemu odpadů než kompostováním nebo skládkováním. Zbytek po spálení tvoří zpravidla 25 - 40 % hmotnostních ( 8 - 1 2 % objemových) původního objemu odpadů. 3. Zbytek po spalování je tuhý, sterilní a nepodléhá rozkladu. To do značné míry omezuje zdravotní riziko spalovaných odpadů, což je významné v případě epidemií a patologických odpadů. Nevýhody spalování 1. vysoké investiční náklady moderní městské spalovny, 2. potřeba kvalifikované obsluhy pro provoz a údržbu spalovny, 3. emise některých plynných škodlivin, které nelze dokonale odstranit ze spalin.


Diplomová práce

9 Ekologické důsledky spalování odpadů Odpady jsou nejméně čistým druhem paliva. V průměru obsahují až padesátkrát více těžkých kovů než uhlí. Spalovny odpadů jsou ve skutečnosti velké chemické reaktory s reakční směsí o v podstatě neznámém a měnícím se složení. Zatím neexistuje žádná analytická metoda, která by mohla spolehlivě určit celkovou ekotoxikologickou povahu spalin a škodlivý vliv emisí spaloven na ekosystémy. 9.1 Emise spaloven Typické složení surových spalin ze spalování odpadů je uvedeno níže: Složení surových spalin ze spalování odpadů Složka

Obsah

H 2O

10- 18% objemu

CO2

6-12% objemu

02

7-14% objemu

CO

0,1 % objemu

Prach

2-15 g.m'3

Cl-

400 - 2 000 mg.nT3 (jako HCI)

F-

0,5 - 2 mg.m-3 (jako HF)

SO2+ SO3

400 - l 000 mg.m-3 (převážně SO2)

NO +NO2

100 - 400 mg.nT3 (převážně NO)

Obsah těchto kontaminantů se musí čisticími procesy snížit tak, aby odpovídal příslušným normám. Např. německé směrnice (Technische Anleitung zuř Reinhaltung der Luft) předepisují následující požadavky na čistotu spalin vypouštěných do ovzduší: ü ü ü ü

prach 100 mg.m-3 C l- 100 mg.m-3 F- 5 mg.m-3 CO l 000 mg.m-3

Z toho vyplývá, že účinnost odstranění prachu musí být 99,0 - 99,5 % a HCI 95 %. Prach lze s touto účinností odstranit v elektrostatických odlučovačích (1. stupeň čištění), HCI ve


Diplomová práce vysokoúčinných plynových pračkách, případně polosuchými či suchými systémy (2. stupeň čištění). 9.2 Vliv spaloven na životní prostředí Spalovny radikálně snižují závadnost komunálního i průmyslového odpadu. Při řádném vedení spalovacího procesu a homogenizace odpadů před spalováním se zneškodní spálením choroboplodné zárodky, hnilobné látky a organické sloučeniny, které při skládkování odpadů ohrožují podzemní a povrchové vody. Přitom však spalování odpadů není bez negativních vlivů na životní prostředí, problémy vyvolávají zejména exhalace a odpadní škvára. Např. spálením l kg plastu z PVC vzniká 600 g chlorovodíku. Do exhalací spaloven přecházejí i některé další závadné látky, především těžké kovy jako Zn, Pb, Cd, Hg. Jejich sloučeniny, přítomné v odpadech většinou ve stopových množstvích, přecházejí v žáru v přítomnosti chlorovodíku do spalin ve formě těkavých chloridů. Při ochlazení spalin v kotli vznikají jemné aerosoly s velikostí částic pod 5 μm, které nezachytí elektrofiltry. Některé organické látky, např. polychlorbifenyly a jiné obtížně oxidovatelné organické chlorované sloučeniny, neshoří úplně a přecházejí do spalin. Proto se nové spalovny budují s dvoustupňovým čištěním spalin, což je kombinace elektrostatických odlučovačů a plynových praček různých typů. Tato zařízení jsou však velmi nákladná, investiční náklady v průměru představují 1 mld. Kč. U většiny nových spaloven, zejména budovaných v husté městské zástavbě, se vyžaduje i třetí stupeň čištění spalin, spočívající v podstatě v zachycování dioxinů na aktivním uhlí. Tímto stupněm budou vybaveny i spalovny v Praze-Malešicích a v Brně. Komunální odpady lze v principu spalovat i v cementárnách, elektrárnách a vysokých pecích, což je podstatně levnější. Z ekologického hlediska je spalování odpadů ve vhodných vysokoteplotních průmyslových topeništích stejně účinné nebo i účinnější než v nákladných speciálních spalovnách. Vhodné jsou zejména cementové pece s alkalickou vyzdívkou. Přitom se lépe využije odpadní energie než ve speciálních spalovacích zařízeních. Rovněž v ČR se uvažuje s možností spalování odpadů, včetně nebezpečných, v cementových pecích. Odhaduje se, že u olejů obsahujících PCB je tento způsob jejich zneškodnění téměř o řád levnější než jejich regenerace. Chemický stupeň Zachycování škodlivin ze spalin je složitý chemicky závod a jeho zařazením se podstatně zvyšují náklady na spalování. Např. ve velké spalovně v Nizozemí se zavedením tohoto chemického stupně zvýšily náklady na spalování odpadů téměř na dvojnásobek. 74 PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory Pro www.fineprint.cz

Diplomová práce (Investiční náklady představovaly 250 mil. USD.) Celkové náklady na dobudování spalovny v Brně s třístupňovým čištěním spalin se odhadují na 2 mld. Kč. Podobné problémy lze očekávat i u nově budované spalovny v Praze-Malešicích pro spalování komunálních odpadů s kapacitou cca 300 000 t za rok. Prakticky všechny moderní spalovny dnes používají způsob, kde se do proudu spalin rozprašuje hydroxid vápenatý, který váže kyselé plyny a tím snižuje těkavost kovů. Současně se zdokonaluje i způsob zachycování škodlivin v elektrofiltrech, případně textilních filtrech, na nichž se zachytí i částice o velikosti l - 5 μm, které jsou nebezpečné tím, že pronikají až do plicních sklípků. U průmyslových spaloven je třeba zvlášť dbát na možnost vzniku toxických exhalátů. Některé látky mají sklon k vysoké kouřívosti (pryž, plasty, aromáty). Proto se musí za hlavním spalovacím prostorem použít dohořívací komora, kde se za teplot vyšších než 1200 °C spálí i saze a těžko rozložitelné organické sloučeniny. Spalováním se odpady přeměňují na chemicky nereaktivní substance obsažené ve škváře, která se zpravidla vyváží na skládky. Škvára ovšem není zcela inertní odpad, protože se z ní mohou vyluhovat různé soli. Po úpravě, která spočívá ve snížení obsahu vody, odloučení jemných podílů a ponechání škváry několik měsíců vyzrát, lze ji použít pro stavební práce, zejména pro zásypy inženýrských sítí, k výrobě tvárnic a jako náhradní materiál při výrobě betonových směsí pro méně náročné účely. Pro posuzování škodlivosti spaloven je rozhodující, jaký je podíl emisí ze spaloven, zejména dioxinů a furanů, z celkového množství jejich emisí produkovaných ostatními zdroji. Je nepochybné, že spalování odpadů je zdrojem znečištění prostředí, což je ovšem nezbytným průvodním jevem všech fyzikálně chemických technologických procesů. Snížení emisí na nulovou hodnotu je zatím zcela nereálné. Negativní vliv těchto emisí však musí být porovnán s celkovým pozitivním vlivem spaloven na prostředí. Při splnění všech požadavků moderního odpadového hospodářství, včetně omezení vzniku a recyklace odpadů, jejich kladné působení jasně převládá. Prokázalo se, že emise vznikající ve spalovnách, s výjimkou rtuti a kadmia, představují jen malou část z celkových emisí z elektráren, průmyslu, dopravy a lokálních vytápění. To se týká i obzvláště citlivé oblasti znečišťování prostředí chlororganickými látkami a složkami spalin ovlivňujících celkové klima.


Diplomová práce Moderní městské spalovny jsou konstruovány pro vysoce automatizované a dobře řízené procesy zaručující požadované čistoty spalin, takže mohou být instalovány přímo v centrech oblastí produkujících odpady. Přesto však jsou spalovny častým cílem protestů různých ekologických hnutí. Spalovna zpravidla produkuje z l tuny odpadů: ü 6000 m3 spalin, ü několik m3 odpadních vod ü 0,25 - 0,4 t tuhých zbytků I v moderních dobře řízených spalovnách může doprava a manipulace s odpady vyvolat značné místní obtíže.

10 Fyzikální a chemické zpracováni odpadů Cílem fyzikálního a chemického zpracování (přepracování) odpadů je umožnění regenerace surovin, získání druhotných surovin či energie, odstraňování nebo snížení toxicity nebo nebezpečnosti odpadů, zmenšení objemu odpadů. Přepracování odpadů by se mělo provádět ve všech stupních nakládání s odpady, počínaje místem vzniku. Některé odpady lze zpracovat přímo u výrobce, nebezpečné chemické odpady, zejména složité směsi, je třeba většinou přepracovat ve zpracovatelských střediscích. Tyto způsoby slouží především pro přepracování průmyslových chemických odpadů, zejména nebezpečných. 10.1 Typy nebezpečných chemických odpadů K nejrozšířenějším chemickým průmyslovým odpadům patří: ü organické kapalné chemikálie a rozpouštědla, které lze regenerovat např. destilací ü odpady obsahující těžké kovy, které lze regenerovat redukcí, srážením, elektrolýzou apod. Z technologického hlediska lze většinu chemikálií z nebezpečných odpadů získat zpět. Náklady na jejich získávání jsou však většinou vyšší než na výrobu těchto látek z primárních surovin. Z hlediska zneškodňování lze průmyslové nebezpečné odpady rozdělit do dvou skupin: ü

odpady vyžadující úpravu před ukládáním

ü

odpady které lze ukládat bez předběžné úpravy

10.2 Regenerovatelné odpady Hlavní typy nebezpečných odpadů, které se zpracovávají ve zpracovatelském středisku, jsou:


Diplomová práce ü kontaminovaná organická rozpouštědla, ü

odpadní vody obsahující těžké kovy,

ü

odpadní oleje.

Kontaminovaná rozpouštědla - Suroviny pro regeneraci rozpouštědel jsou většinou kontaminovány

halogenovanými

rozpouštědly

(trichlorethan,

trichlorethylen,

tetrachlorethylen) z odmašťovacích lázní nebo rozpouštědel z výroby barev a nátěrů. Stripováním a destilací lze získat 70 - 80 % směsi rozpouštědel, které lze použít např. k výrobě barev. Vedlejšími produkty procesu jsou voda obsahující vodorozpustná rozpouštědla a kaly obsahující organické látky, vodu a popel. Odpady obsahující těžké kovy - Pokud odpadní vody neobsahují příliš bohatou směs těžkých kovů, lze tyto kovy za ekonomicky výhodných podmínek regenerovat fyzikálně chemickými metodami. Např. z odpadních vod z galvanického zpracování kovů lze přítomné kovy získat pomocí ionexů nebo tvorbou komplexů s následnou rozpouštědlovou extrakcí. Odpadní oleje - Obsahující vodu a kaly lze regenerovat sedimentací, stripováním rozpouštědel nebo filtrací, odstředěním či jinými dělicími technikami. Transformátorové oleje s obsahem PCB - Se již ve většině zemí nevyrábějí. Celá řada procesů byla vyvinuta pro jejich regeneraci rozkladem přítomných PCB. Po odstranění PCB lze tyto oleje opět použít jako transformátorové oleje (s vhodnými aditivy). 10.3 Spalitelné odpady V podstatě všechny nebezpečné odpady, s výjimkou některých anorganických odpadů a výbušnin, lze zneškodnit spalováním. Účinnost rozkladu, a tedy odstranění nebezpečných látek, závisí na teplotě a době zdržení ve spalovacím prostoru. Pro většinu organických nebezpečných odpadů, jako jsou např. pesticidy, je spalování často nejvýhodnějším způsobem jejich rozkladu. Při vhodné teplotě a době zádrže je jejich rozklad prakticky úplný. Látky obsahující toxické kovy (např. rtuť) se obtížně rozkládají. Takové odpady je třeba zpracovávat speciálními tepelnými metodami - pyrolýzou nebo destilací. Spalování odpadů obsahujících rtuť vyžaduje speciální zařízení na čištění spalin. 10.4 Nebezpečné odpady, které lze detoxikovat


Diplomová práce Nebezpečné odpady lze zneškodnit buď jejich úplným rozkladem nebo mineralizovat, tj. přeměnit na vodu, oxid uhličitý a minerální kyseliny. Řadu problémů se zneškodněním toxických odpadů lze však vyřešit odstraněním jejich toxických složek. Cílem tohoto způsobu zneškodnění je upravit odpady takovým způsobem, aby nebyly toxickými pro okolní prostředí. Detoxikovaný materiál lze pak rozložit přirozenými biologickými procesy. Anorganické nebezpečné odpady. Mezi odpady, které lze detoxikovat chemickými metodami, patří odpady obsahující kyanidy nebo chromany, které pocházejí z galvanického zpracování kovů. Kyanidové odpady se často detoxikují oxidací chlornanem: CN- + CIO- + H2O --------> CNCl + 2 OHCNCl + 2 OHCN- + ClO -

---------> CNO- + Cl- + H2O

CNO- + Cl-

K detoxikaci méně toxických kyanátových iontů lze použít aeraci nebo reakci s chlornanem: 2 CNO- + 3 CIO- + H2O --> 2 CO2 + N2 + 3 Cl- + 2 OH-

K detoxikaci kyanidů lze rovněž použít peroxid, tento způsob je však nákladnější. Ve zpracovatelském středisku, do kterého se přiváží velké množství kyselých mořicích lázní obsahujících železnaté ionty, lze tyto ionty použít s výhodou pro redukční procesy: CrO42- + 3 Fe2+ + 8 H+ -----> Cr3+ + 3 Fe3+ + 4 H2O Organické toxické odpady. Pesticidy obsahující chlor lze rozložit dechloračními procesy. Některé procesy jsou založeny na reakci s organokovovými sloučeninami obsahujícími sodík. Konečným produktem je dechlorovaná látka a chlorid příslušného kovu. 10.5 Odpady obsahující těžké kovy a současně kyseliny nebo zásady Takové odpady pocházejí z: ü ü ü ü

kyselých mořicích lázní, galvanických lázní, lázní pro odstranění zkorodovaných vrstev kovů, kalů z galvanického průmyslu.


Diplomová práce

Obsahují zejména Fe, Cr, Ni, Cu, Zn a Cd a rovněž HC1, H2SO4, HNO3 a alkalie jako je NaOH. Průmyslově se takové odpady propracovávají neutralizací roztoků přídavkem kyselin či zásad nebo (mobilizací kovů srážením ve formě hydroxidů nebo srážením kovy s nižším standardním redukčním potenciálem (cementací). 10.6 Odpady vyžadující zvláštní sledování nebo třídění před zpracováním Odpady, přicházející do zpracovatelského střediska bez patřičné dokumentace a o jejich složení či původu nejsou dostatečné informace, je nutno detailně analyzovat před jejich vlastním zpracováním. Některá zpracovatelská střediska mají jen dvě možnosti zpracovávání odpadů ü spálení ü uložení na speciálních skládkách. Materiály určené ke spálení nesmějí obsahovat: ü toxické prvky, které se uvolňují v průběhu spalování a odcházejí v kouři, ü látky, které při spalování mohou být výbušné, ü látky, které při průmyslovém zpracování mohou explozivně reagovat. Hliník při zahřívání s uhlíkem v redukční atmosféře tvoří karbid, který při styku s vodou vytváří methan. Proto se hliník a karbid nesmějí společně zavádět do spalovny. Některé další prvky mohou vytvářet podobné explozivní látky. Odpady dodávané v malých obalech a přemisťované do sudů je třeba před zpracováním třídit. 10.7 Nebezpečné odpady, které nelze zpracovat jednoduchým spalováním nebo detoxikací Přestože téměř pro všechny látky existují metody jejich chemického rozkladu, některé se v odpadech mohou vyskytovat v tak malých množstvích, že provoz takového procesu je ekonomicky nevýhodný. Jestliže tyto produkty nelze bezpečně zneškodnit spálením, je třeba uvažovat se speciálním řízeným skládkováním. Příkladem této kategorie odpadů jsou malá množství tuhých kyanidů obsažených ve vytvrzovacích solích nebo články obsahující rtuť. Takové odpady se zpravidla ukládají v hlubinných dolech. Zcela jiným druhem nebezpečných odpadů vyžadujících speciální zacházení jsou výbušniny nebo tlakové lahve s plyny. Takové odpady většinou zneškodňují pyrotechnici. 10.8 Nebezpečné odpady vhodné ke skládkování


Diplomová práce Nebezpečné odpady lze ukládat na skládku pouze po jejich předběžném zpracování a v tuhém stavu, případně takové odpady, pro které dosud neexistuje proces jejich detoxikace. Jako příklad těchto typů odpadů lze uvést filtrační koláče ze srážení těžkých kovů a strusku či popel z jejich spalování. 10.9 Přepracování nebezpečných odpadů Přepracování nebezpečných odpadů je mimořádně technologicky náročné a nákladné zejména v případech, kdy se jedná o směsné neseparované odpady. Právě tyto druhy odpadů tvoří podstatnou část odpadních produktů chemického průmyslu, z nichž většina patří mezi nebezpečné odpady. 10.9.1 Základní postupy zpracování neseparovaných nebezpečných odpadů S nebezpečnými odpady je třeba nakládat tak, aby neohrožovaly životní prostředí. Proto je velmi důležité sledovat potenciálně nebezpečné látky již od okamžiku jejich vzniku ve výrobním procesu. Zejména je důležité oddělit nebezpečné složky odpadů vhodnými postupy tak, aby bylo možno takto upravené odpady využít jako druhotné suroviny. Nejobtížněji se zpracovávají takové odpady, které představují směsi organických a anorganických látek ve formě zředěných vodních kalů. U takových odpadů je jen velmi obtížná, jak jejich regenerace, tak i izolace a další zneškodňování nebezpečných složek. Ideální případ představují odpady sestávající pouze z jedné hlavní složky obsažené v dobře definované základní matrici. Směsné neseparované odpady lze hodnotit podle různých kritérií. Většinu potenciálně nebezpečných odpadů tvoří: ü organické materiály, ü odpady ve vodných roztocích, ü kaly. Tyto odpady lze dále posuzovat podle stupně vzájemné oddělitelnosti jednotlivých složek. U organických látek představuje nejnižší stupeň oddělitelnosti (prakticky žádný) směs organické a anorganické látky ve formě zředěného kalu. Druhý stupeň představuje směs, ve které jsou organické látky smíchány pouze s malým množstvím vody. Pokud v takových odpadech nejsou přítomny nespalitelné složky, lze je spálit jako palivo. Třetí stupeň tvoří individuální látky jen s malým obsahem příměsí nebo směs látek s podobnými vlastnostmi. Příkladem může být směs uhlovodíků, kterou lze snadno spalovat jako palivo. Chlorovaná rozpouštědla používaná pro odmašťování lze regenerovat destilací. Podobně lze regenerovat


Diplomová práce i odpadní mazací oleje. Některé organické látky v takových směsích, např. pesticidy, musí být zpracovány speciálními detoxikačními nebo rozkladnými procesy. Rovněž anorganické složky v zcela neseparovaných odpadech lze jen obtížně regenerovat nebo detoxikovat. Problém se poněkud zjednodušuje u takových odpadů, ze kterých je již většina organické hmoty odstraněna a anorganické složky jsou ve formě zředěných kalů. V některých případech lze zpracováním takových anorganických odpadů s vápnem a koagulanty izolovat nebezpečné složky ve formě koncentrovaných kalů. V nejvyšším stupni vzájemné oddělitelnosti složek jsou anorganické odpady ve formě vodných roztoků či kalů. Takové směsi lze zpravidla poměrně jednoduše zpracovávat např. sorpcí kontaminantů z vodných roztoků na aktivním uhlí nebo odvodněním kalů. Jak již bylo uvedeno dříve, určité množství nebezpečných látek se nachází i v komunálním odpadu. Takové odpady jsou zpravidla složitou směsí tuhých a kapalných materiálů, obsahujících často organické složky. Zpracovatelskými procesy, kterými lze tyto odpady detoxikovat nebo odstranit malá množství přítomných toxických látek od základní matrice, lze značně snížit náklady na jejich zneškodnění. Náklady na zneškodnění nebezpečných odpadů ukládáním na bezpečných skládkách chemických odpadů jsou totiž 10 až l00krát vyšší než u odpadů neobsahujících toxické složky ukládaných na běžných skládkách. Po odstranění toxických složek z neseparovaných odpadů ve vodných roztocích lze takovou vodu často upravovat v běžných čistírnách odpadních vod. I když hlavním cílem všech systémů zpracování nebezpečných odpadů je snížení množství nebezpečných složek, je z ekologického hlediska rovněž žádoucí, aby je bylo možno využít jako druhotných surovin nebo zdroje energie. Doprava nebezpečných odpadů je velmi nákladná. Je-li proto možno nebezpečné látky ze směsných odpadů odstranit (nebo jejich množství podstatně omezit) přímo nebo v blízkosti místa jejich vzniku, ušetří se tím značná část dopravních nákladů. Při zpracování neseparovaných nebezpečných odpadů se uplatňuje řada chemických procesů, kterými lze převést veškeré nebo část nebezpečných látek v odpadech na méně nebezpečné či neškodné. Zbylý podíl lze potom dále zneškodnit bezpečnějšími a levnějšími prostředky. 10.9.2 Regenerace nebezpečných chemických odpadů


Diplomová práce Prvním předpokladem pro praktické využití nebezpečných odpadů, vznikajících zpravidla jako vedlejší produkty výrobních procesů, je jejich čistota. Příkladem vedlejšího produktu vznikajícího v poměrně vysoké čistotě je hydroxid vápenatý z výroby karbidu vápníku. Takový odpadní materiál lze využít bez dalších úprav v původní formě. Méněhodnotné a zpravidla méně čisté materiály, které se však snadno regenerují, jsou např. rozpouštědla z výroby léčiv a barev, strusky z výroby oceli a použité olověné desky z výroby olověných baterií. Všechny tyto materiály, které se ve výrobním procesu vyskytují ve značných množstvích, se považují za neužitečné a nevyužitelné v těch průmyslových odvětvích, ve kterých se zpracovávají nebo vznikají. Jiná průmyslová odvětví je však považují za cenné suroviny. Třetí skupinou materiálů (která je vlastně podskupinou druhé) jsou takové typy materiálů, které je pro dosažení požadované čistoty nutno dále upravovat nebo přepracovat. Např. prach oxidu zinečnatého zachyceného z jeho výroby se běžně používá k výrobě síranu zinečnatého. V některých případech je však třeba nejprve odpadní oxid zinečnatý upravovat, aby se odstranily nežádoucí kontaminanty jako olovo.

Konečně čtvrtou skupinou materiálů jsou takové vedlejší produkty, které se dosud neregenerují. To jsou skutečné odpady, které zpravidla končí na skládce. Zkušenosti z vyspělých průmyslových zemí ukazují, že je technicky schůdné a ekonomicky výhodné regenerovat následující druhy nebezpečných chemických odpadů: ü ü ü ü ü ü

alkálie, kyseliny, zemědělsky využitelné materiály katalyzátory, kovy a jejich sloučeniny, různé oleje, rozpouštědla, chemikálie s prošlou záruční lhůtou nebo zbytky chemikálií.

10.10 Fyzikální způsoby zneškodňování odpadů Již malé množství nebezpečných látek přítomných v jinak inertním odpadu mění tento odpad na nebezpečný a podle toho je třeba s ním nakládat, což značně prodražuje veškeré procesy zneškodňování. Je proto žádoucí z takových odpadů nejprve tyto nebezpečné složky odstranit a tím je přeměnit na odpady, které nevyžadují zvláštního nakládání. Podle fyzikální a chemické povahy těchto látek lze pro jejich odstranění použít různé separační procesy.


Diplomová práce Nejběžněji používané procesy jsou: Adsorpce na aktivním uhlí, která je vhodná pro celou řadu kontaminantů z kapalných a plynných proudů. Nejčastěji se používá pro organické látky, i když i některé anorganické látky lze takto účinně odstranit. Proces je relativně nespecifický, a proto se široce používá v takových operacích, kdy chemické složení zpracovávaných odpadních proudů není zcela známo; např. při úpravě vod, odstraňování rozlitých chemikálií a odstraňování těchto látek ze znečištěného vzduchu. Destilace má pro zpracování nebezpečných odpadů jen omezené použití. Jedním z požadavků je, aby surovina pro nepřetržitou destilaci byla snadno čerpatelná a jen s malým množstvím pevných podílů. Vysoce viskózní odpady a odpady s vyšším obsahem pevných podílů je třeba nejprve upravit. Avšak ani některé snadno čerpatelné odpady nelze zpracovávat destilací, například organické peroxidy, pyroforické organické odpady a většinu anorganických odpadů. Problémy vyvolávají i odpady, které mají snahu polymerovat. Nejvhodnějšími typy odpadních látek pro zpracování destilací jsou organické kapalné látky, zejména rozpouštědla a halogenované sloučeniny.

Nejběžnější průmyslové odpady, které lze zpracovávat destilací, jsou: ü odpady z povrchové úpravy kovů, obsahující organickou látku ü vodné odpady obsahující fenol. Rozpouštědlová extrakce zahrnuje dva procesy: ü extrakce kapalina-kapalina , tj. odstranění složky z kapalného roztoku působením jiné kapaliny, ve které je extrahovaná složka více rozpustná, ü loužení, tj. separace složky z pevné matrice působením kapaliny, ve které je extrahovaná složka rozpustná. Příkladem průmyslového využití prvního způsobu je extrakce uranu z roztoku v kyselině dusičné tributylfosfátem rozpuštěným v hexanu. Příkladem průmyslového využití druhého způsobu je extrakce jedlého oleje olejnatých semen hexanem. V oblasti zpracování nebezpečných odpadů se pod pojmem rozpouštědlová extrakce zpravidla myslí extrakce kapalina-kapalina, většinou extrakce organické složky z vodného roztoku do nemísitelného rozpouštědla. Rozpouštědlová extrakce se používá například k fyzikální separaci vybraných složek odpadů z vodných roztoků nebo organických rozpouštědel (extrakce kapalina-kapalina) nebo z kalů či pevných směsných materiálů (loužení). Prvním průmyslovým procesem tohoto typu byla extrakce fenolů z odpadních vod z rafinerií ropy nebo koksoven. Jiným průmyslovým příkladem


Diplomová práce rozpouštědlové extrakce je získávání kyseliny octové z průmyslových odpadních vod pomocí octanu ethylnatého či extrakce PCB z upotřebených olejů. Loužení běžně slouží k získávání cenných složek z rud, případně odpadů z jejich zpracování a dále k extrakci kontaminantů z půd. Membránová separace Membránová separace může sehrát v budoucnu významnou roli při minimalizaci nebo recyklaci nebezpečných odpadů. Tyto procesy zahrnují reverzní osmózu, ultrafiltraci, hyperfiltraci a elek-trodialýzu, tedy metody oddělující kontaminant z kapalné fáze. Membránovými separačními procesy lze dosáhnout: ü snížení objemu odpadu, ü získání nebo čištění kapalné fáze, ü koncentrování či získání kontaminantů.

Ultrafiltrace a hyperfiltrace používají tlaky a polopropustné membrány pro separaci neiontových materiálů z roztoků, např. z vodných. Tato membránová separační technika je především účinná pro odstranění suspendovaných pevných částic, olejů a tuků, velkých organických molekul a komplexů těžkých kovů z odpadních vod. Při ultrafiltraci a hyperfiltraci membrány zadržují materiály pouze v závislosti na tvaru, rozměru a flexibilitě molekul. Membrány zde působí jako síta k zadržování rozpuštěných a suspendovaných materiálů, příliš velkých na to, aby prošly póry. ü

Reverzní osmóza je vhodná především pro oddělení vody z materiálů

obsahujících anorganické ionty. Čistota takto vyčištěné vody je značně vysoká a lze ji recyklovat. ü

Ultrafiltrace se převážně používá k oddělení organických složek z vody na

základě velikosti organických molekul. Vyráběné membrány jsou vhodné pro oddělování kontaminantů s molekulovou hmotností mezi 500 - l 000 000. ü

Hyperfiltrace odděluje iontové nebo organické sloučeniny od vody za použití

filtrů se sníženými rozměry membránových pórů, kterými kontaminant může procházet. Používá se zpravidla k od dělení kontaminantů ve vodných roztocích o molekulární hmotnosti 100 - 500.


Diplomová práce ü

Elektrodialýza se používá k odstranění iontových sloučenin z vody. Umožní získat

poměrně čistou vodu (102 mg/1 vody). Vymražováním lze oddělit vodu z roztoků (včetně nebezpečných odpadů) ochlazením roztoku na teplotu, kdy se začínají tvořit krystaly ledu. Jelikož tento proces není závislý na složení zpracovávaného materiálu, lze jej používat pro celou řadu odpadních proudů bez jejich předběžné úpravy, např. pro ü

koncentrování kyselin a zásad (těkavé organické látky zůstávají v koncentrátu)

ü

krystalizaci solí z nasycených roztoků, které jsou odstraňovány z procesu jako kaly.

Tento proces se uplatnil pro další nebezpečné odpady, např.: ü pro dekontaminaci lagun s nebezpečnými odpady ü regeneraci materiálů z odpadních vod v závodě na výrobu munice ü ke koncentrování mořicích roztoků pro recyklování ü k získávání vedlejších produktů z odpadů z výroby organických chemikálií Stripování vzduchem a vodní parou. Stripování je fyzikální jednotková operace, při které jsou rozpouštěné molekuly transportovány z kapaliny do proudu plynu nebo páry. Hnací silou pro přenos hmoty je zde koncentrační gradient mezi plynnou a kapalnou fází. Dobře fungující stripovací zařízení může dosáhnout až 99 % odstranění těkavých organických látek z vody. Oba způsoby nalezly uplatnění pro odstraňování nebezpečných organických látek z vodních odpadních

materiálů,

zejména

chlorovaných

rozpouštědel

jako

methylenchlorid,

tetrachlorethylen či aromatických rozpouštědel jako je benzen a toluen. Stripování je rozšířená metoda zvláště pro dekontaminaci zdrojů podzemní vody kontaminované rozpouštědly. Používá se rovněž pro odstranění těkavých látek z průmyslových vodných odpadů obsahujících stopy rozpouštědel. Použitelnost stripování vzduchem je omezena na zředěné vodní odpadní roztoky s koncentrací těkavých organických látek do 100 mg/1. Stripování parou má širší použití, zejména pro rozpustnější, méně těkavé látky, které nelze stripovat vzduchem, jako je aceton, methanol, pentachlorfenol, pro těkavé organické látky přítomné v odpadních vodných roztocích ve vyšších koncentracích a pro nevhodné odpady, jako jsou použitá rozpouštědla kontaminovaná neťěkavými nečistotami. Stripování parou je investičně i provozně nákladnější. A proto pravděpodobně nebude použitelné pro dekontaminaci podzemních vod, kde je stripování vzduchem dostatečně účinné. S úspěchem bylo však využito pro dekontaminaci podzemních vod obsahujících ketony a alkoholy 85 PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory Pro www.fineprint.cz

Diplomová práce v koncentraci kolem 1000 mmp. Používá se rovněž pro úpravu průmyslových vod zejména tam, kde regenerované organické látky mohou být opětně použity nebo koncentrovány pro účinnější zneškodnění. Rozrážení emulzí . Emulze jsou směsi dvou nebo více navzájem nemísitelných kapalin, kde jedna kapalina představuje disperzní fázi rozptýlenou v druhé kapalině ve formě malých kapek. Emulze vznikající při zpacování olejů, vody a kalů. Směsi voda – olej – kaly se v předběžném stupni rozdělí sedimentací, dekantací nebo odstředěním. Výhody pro to: ü

Nepotřebují dodatečné chemikálie

ü

Nevznikají odpadní vody, které by bylo nutno zpracovávat

Pro emulze, které obsahují škodlivé látky s vysokou výhřevností se používá: ü

Proces, při kterém emulze přichází do styku přímo s plamenem

ü

Rotační odpařování s přirozenou nebo nucenou rotací.

Při rotaci se cirkulací směsí voda – pára uskutečňuje vypařování v tenké vrstvě. Emulze se přivádějí v tenké vrstvě do nepřímo zahřívaného vypařovacího tělesa, přičemž se odpaří voda a oddělí olej.

11 Kompostování 11.1

Průběh kompostování Při odbourávání organických substancí pomocí mikroorganismů dochází v závislosti na

intenzitě průběhu procesu ke zvyšování okolní teploty. Tento v přírodě velmi rozšířený proces se označuje jako samoohřev. Při kompostování odpadů je tento samoohřev žádoucí ze dvou důvodů. Za prvé dochází ke změně skladby mikroorganismů a tím k rychlejšímu odbourávání často značně složitých organických substancí, za druhé dochází, vedle transformace antibiotik pomocí aktinomycet, k termické dezinfekci materiálu.


Diplomová práce

Při správné volbě průřezu zakládky, případně intenzity provzdušnění, je rozkladný proces samoregulačním systémem: intenzivní odbourávání vede ke zvýšení teploty zakládky a tím ke změně složení vlastností substrátu. Substrát, který slouží mikroorganismům za zdroj energie, podléhá trvalým změnám a ovlivňuje nejen jejich činnost, ale také jejich složení, což se opět projeví jako tepelná reakce. Podobně jako spalování, rovněž kompostování využívá oxidačních procesů, jimiž se přeměňují fermentovatelné látky odpadů. U spalování je potenciálně využitelné teplo vedlejším produktem a zbytkem je popel. U kompostování, má-li materiál dostatečné izolační schopnosti, zvyšuje se teplem uvolněným biologickou oxidací teplota až na hodnoty, při kterých mohou přežívat pouze termofilní organismy. Patogenní organismy a rovněž plevelná semena se přitom rozkládají, jestliže se teplota na požadované hladině udržuje dostatečně dlouhou dobu. Následnou mikrobiální činností se přeměňují organické zbytky na humus, který je užitečný pro zlepšování kvality půd. Kompost obsahuje dusíkaté látky a většinu dalších chemických živin, které byly přítomny v původním odpadu. Jeho hodnota jako hnojiva na jednotku hmotnosti je poměrně malá ve srovnání s průmyslovými hnojivy, avšak jeho hodnota jako růstového média a pro zlepšování vlastností půdy je srovnatelná s rašelinou. 11.2

Základní podmínky pro kompostování Pro úspěšný průběh kompostování je důležitá správná volba rostlinných odpadů.

Rozkladné mikroorganismy pracují optimálně při dostatečném množství živin a organického materiálu. Základní podmínky pro kompostování jsou následující: ü vstupní materiál musí obsahovat organické látky v takovém složení, aby byl pro výživu mikroorganismů dodržen potřebný poměr C:N 30:1, a dále musí být zastoupeny i biogenní prvky, ü vlhkost výchozího materiálu musí být upravena na 50 - 60 %, pH má být neutrální, ü dostatečná aerace po celou dobu humifikace zpracovávaného materiálu, čímž dojde k dostatečnému ohřátí veškeré hmoty

na požadovanou teplotu a k hygienizaci

kompostu (teploty 60-70 °C), ü vstupní suroviny musí být rozmělněny a homogenizovány. 87 PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory Pro www.fineprint.cz

Diplomová práce Dodržení uvedených podmínek zajistí dokonalou činnost mikroorganismů po celou dobu přeměny organických látek a zrání kompostu. V 1. fázi označované jako mesofilní (rozkladná) fáze dochází k intenzivnímu rozvoji bakterií a plísní za rozkladu lehce rozložitelných látek (cukry, škroby, bílkoviny). V 2. fázi (termofilní či přechodné) se nadále rozvíjejí bakterie a především aktinomycety. V této fázi jsou odbourávány obtížněji rozložitelné organické látky jako je celulóza a lignin a současně vznikají stabilní organické látky obsahující humus. Ve 3. fázi dozrávací dochází vlivem autochtonní mikroflóry ke stabilizaci organických látek -kompost se již nezahřívá, hmota je zcela homogenní a nezapáchá.

V 1. fázi se spotřebovávají všechny snadno využitelné organické materiály včetně celulózy, proteinů a lipidů. Obtížněji rozložitelné látky jako lignin se rozkládají mikroorganismy až v 2. fázi. V různých fázích se uplatňují i různé mikroorganismy. V 1. fázi jsou to především aktinomycety, v 2. fázi zejména houby. Pokles teploty kompostu indikuje zpomalení rozkladných procesů. 11.3 Přísady do kompostů Přídavek vhodných přísad urychluje zahájení kompostovacího procesu a usnadňuje udržet průběh reakcí správným směrem. Tyto látky urychlují růst rozkladných mikroorganismů a současně mohou i zlepšovat kvalitu suroviny pro kompostování, zejména upravit obsah živin, minerálních látek a pH. Vlastnosti surového kompostu lze dále zlepšit přídavkem speciálních kmenů mikroorganismů, jako jsou: ü aerobní mikroorganismy zpracovávající celulózu, ü aerobní mikroorganismy, které mohou rozkládat organické látky při vysokých teplotách, ü aerobní mikroorganismy, které mohou rozkládat zvláště odolné složky kompostu. Rozkladný proces by měl být iniciován co nejdříve, aby se zabránilo nežádoucím reakcím. U organických materiálů s vysokým obsahem bílkovin hrozí totiž nebezpečí nežádoucí fermentace za vzniku páchnoucích látek, a to i při krátkodobém skladování, zejména v letních měsících. 11.4 Organické látky vhodné ke kompostování ü tuhé komunální odpady, zásadně neobsahující popel, buď drcené nebo prosáté ü vyhnilé čistírenské kaly


Diplomová práce ü různé zemědělské odpady ü kůra a dřevní odpad ü cukrovarská a lihovarská šáma ü kapucín, uhelné kaly apod. Pro výrobu kompostů, zejména z domovních odpadů, je velmi důležité sledovat obsah těžkých kovů (Hg, Cr, As, Cd, Zn, Cu, Ni, Co, M o) a dále obsah PCB a ropných derivátů, protože tyto látky jsou dnes běžnými nežádoucími příměsemi domovních odpadů. Obsah těchto látek v domovních odpadech se podstatně sníží zavedením separovaného sběru v domácnostech. V důsledku tvorby kyselin pH kompostovaného materiálu nejprve klesá z původně neutrální hodnoty na 4 - 5. Hodnota pH se potom zvyšuje na 8,5 s tím, jak se organické kyseliny rozkládají v termofilní fázi. Konečný kompost má alkalickou reakci příznivou pro kyselé půdy. 11.5 Zdravotní a hygienické aspekty využívání kompostu Kompostování je vysoce účinný proces pro rozklad mikroorganismů, pokud je prováděn správným způsobem. Působením teploty nad 55 °C po dobu několika týdnů se spolehlivě ničí všechny patogenní mikroorganismy. Je ovšem nutné, aby byl veškerý kompostovaný materiál vystaven vyšším teplotám a aby žádné mikroorganismy neunikly při ochlazování vnější části kompostovací hromady. 11.6 Toxické látky v kompostu Kvalita kompostu může být ohrožena nežádoucími organismy (fytopatogenní houby, hmyz a jeho larvy, plevely a jejich semena) a nebezpečnými a toxickými látkami (biocidy, detergenty). K omezení těchto rizik je třeba udržet aktivní mikrobiální proces. Půdní mikroflóra správně zrajícího kompostu je nejúčinnější v potlačování původců různých nákaz, stejně tak mikroorganismy jsou nejúčinnější k rozkladu organických xenobiotických látek. Všem těmto procesům napomáhá i zvýšená teplota kompostů. Stopové toxické prvky se ovšem mikrobiální cestou neodstraní, ale vazbou na cheláty ztrácejí svou účinnost, a tedy i toxicitu. Humus, případně huminové kyseliny, které jsou nejúčinnější frakcí humusu, jsou nejlepším a nejkomplexnějším chelatizačním prostředkem.


Diplomová práce Při aplikaci kompostů do půd se musí přihlížet k typu půdy a obsahu toxických prvků, které se v půdě již nacházejí. Mírně kontaminované komposty na vhodném typu půdy nepředstavují zpravidla nebezpečí pro zemědělskou produkci. Avšak ani středně kontaminované odpady není nutné zcela vylučovat z kompostování. Je třeba je pouze vyloučit z výroby kompostů určených pro hnojení potravinářských a krmivářských plodin. Tam, kde jde o hnojení půdy určené pro pěstování rostlin mimo potravní řetězce - např. lesní půdy - je použití kompostů se středním obsahem toxických prvků přiměřené. Kompost se přidává do půdy v množství 5 - 50 kg na m", vyšší množství se používá pro pěstování ovoce a zeleniny. Z toho důvodu je třeba věnovat zvýšenou pozornost přítomnosti toxických látek, zejména solím kovů jako je rtuť, kadmium, zinek a měď a rovněž boranům. Závažná je zejména chemická forma těchto kovů. Např. organické sloučeniny rtuti jsou mnohem toxičtější než elementární rtuť nebo její soli. Hlavními neprůmyslovými zdroji rtuti jsou baterie pro fotografické aparáty, počítačky, přenosná radia apod. Kadmium se široce používá jako pigment a stabilizátor barev a plastů a pro povrchovou ochranu kovů. Borany se používají jako adheziva při výrobě lepenky. Měď a zinek jsou esenciálními prvky pro růst rostlin a průmyslový kompost může být jejich významným zdrojem. Kadmium a rtuť nemají žádný nutriční význam pro růst rostlin. Rtuť se při kompostování z větší části odstraní vypařováním. Toxické organické látky, jako jsou pesticidy a polyaromatické uhlovodíky, jsou v kompostu z komunálních odpadů většinou obsaženy jen ve velmi malém množství. Tyto látky se mohou do poživatelných částí rostlin dostat v omezené míře z kořenového systému a rovněž přímou kontaminací prašným spadem. U polyaromatických uhlovodíků je možnost kontaminace rostlin z ovzduší mnohem větší než přenosem z kompostu v půdě. Vysoce odolné organické materiály, jako jsou pesticidy a polychlorbifenyly, v kompostu mohou za jistých okolností způsobit problémy. Přesto, že jsou jen málo rozpustné ve vodě, mají schopnost bioakumulace v potravním řetězci. Zneškodnění nekompostovatelných zbytků, které tvoří více než 50 % hmotnostních původních odpadů, je významnou součástí kompostáren a může tvořit značný podíl jejich provozních nákladů.


Diplomová práce Schopnost kompostu rozkládat organické materiály závisí na metabolické aktivitě mikroorganismů. Metabolickými reakcemi mohou vznikat toxikologicky významné vedlejší produkty. Toxické látky, zejména mykotoxiny, jsou syntetizovány houbami, rostoucími na nemineralizované organické hmotě. Někdy mohou být organické zbytky pokryty vrstvou hub, které inhibují aerobní rozklad. Plísně, které produkují vysoce toxické metabolity, jsou rozšířeny zejména u zbytků olejnatých plodin.

11.7 Druhy kompostu Podle stupně biochemické degradace a konečného zpracování se rozlišují čtyři druhy kompostu: 1. surový kompost - odpady jsou mechanicky upraveny pro kompostování, avšak bez rozkladu nebo dezinfekce, 2. čerstvý kompost - kompostované materiály jsou v počátečním stupni biochemické degradace a po úplné dezinfekci, 3. vyzrálý kompost - plně rozložený a dezinfikovaný produkt kompostovacích procesů, 4. speciální kompost - kompost dále zpracovaný a tříděný, případně s přídavkem minerálních látek. 11.8 Technické způsoby kompostování 1. Mechanická úprava odpadů a vyzrání v kompostových zakládkách - používají se systémy Door Oliver, Bulhler, Biomiill, Calais, Gondard. U nás je nejrozšířenější systém Gondard (obr. 5). 2. S mechanickou úpravou nebo i bez a vyzrání v komorových zařízeních - jsou to tzv. Danostabilizátory, věže Multibacto, Baden-Brugg, Biorapid apod. 3. Kombinovaný systém M.U.T.


Diplomová práce

Obr. 37 Drtírna komunálních odpadů - systém Gondard l-zásobník odpadu, 2-dopravník. 3-magnet, 4-kladivový mlýn, 5-nedrtitelný odpad, 6vibrační síto, 7-nadsítný podíl, 8-prosev U nás je v provozu kompostárna systému Biomull, jejíž provozní schéma je ukázáno na obr.38 Podle původní technologie (schéma A) procházejí odpady l přes bunkr 2 s několikadenní zásobou na podávači stůl 3, do třídicího bubnu 4 se síty s velikostí ok 30 mm. Z procesu se odlučuje železo magnetem 5 a hrubý prosev se odváží na kompostovou zakládku 9. Nadsítný podíl, obsahující mimo jiné papír, plasty a další hrubé materiály, se transportuje do kladivového drtiče 6. Rozemletý odpad se mísí s čistírenskými kaly v mísiči 7 a odváží vozy 8 na kompostovou zakládku. Po fermentaci s jednou nebo dvěma překopávkami se hrubý kompost vytřiďuje v bubnovém třídiči s jemným sítem (18 mm). Nadsítný podíl se odváží jako nekompostovatelný vozy 10 na skládku. Jemný prosev se znovu zbavuje drobných částic železa, přidávají se průmyslová hnojiva 11 a po konečném drcení v kladivovém mlýně, kde se drtí i jemné střepy, se kompost rozdělí na jemný kompost 13 pro květinářství a drobný prodej (Pragohum) a na zahradnický kompost 14. 11.9 Zjednodušená technologie (B) Technologie měla řadu problémů, např. malý výkon síta a drtičů. Z toho důvodu byla technologie podstatně zjednodušena (schéma B). Komunální odpad se ukládá na skládku 2, skrápí se vodou nebo čistírenskými kaly a fermentuje se po několik měsíců. Dopraví se do bunkru a stejným způsobem jako v případě A se podrobí třídění, prosévání a separaci železa. Nadsítný podíl 8 se odváží na skládku a prosev k výrobě polního kompostu na kompostovištích. K jeho přípravě se používá prosev, směs statkového hnoje a kejdy, zbytky z rostlinné výroby, vysušený čistírenský kal atd. Nadsítný nekompostovatelný podíl obsahuje většinou plasty, dřevo atd. a pro svou značnou výhřevnost kolem 30 000 kJ.kg-1 je vhodný pro spálení ve spalovně.


Diplomová práce Základním postupem výroby kompostů v technologickém zařízení a současně jedním z nejstarších způsobů, vyrábějících již z větší části zfermentovaný kompost, je biostabilizační systém Dano (obr. 54). Biostabilizátory jsou v podstatě horizontální bubny o průměru až 4 m, otáčející se l - 2krát za minutu. Pro dostatečnou aeraci v průběhu zádrže, která trvá nejméně 48 hodin, se vhání do počáteční i středové části vzduch. Komunální odpady se před vstupem do biostabilizátoru zbavují železa a někdy se i drtí. Po částečném vyzrání v biostabilizátoru se kompost prosívá a propad se odváží k dozrání do kompostové zakládky, nadsítná frakce na skládku.

Obr. 38 Kompostování systémem Biomull (A) Při volbě způsobu kompostování jsou rozhodující tato hlediska: ü množství a kvalita surovin, ü u odpadu je třeba zásadně vyloučit popeloviny, využívat část odpadu separovaného přímo u zdroje jako tzv. bioodpad, tj. zbytky zeleniny, potravin, odpady ze zahrad, včetně průklestu stromů, ü ekonomická hlediska, tj. energetická náročnost, investiční náklady, náklady na dopravu surovin i výsledného produktu, ü požadavky na zábor zemědělské půdy, ü technologická náročnost. Ke zpracování odpadů na komposty je možno přistoupit až po důkladné analýze. Vzhledem k tomu, že naše zemědělství vykazuje zhruba 25 % deficit organické hmoty, pro


Diplomová práce zachování přirozené úrodnosti půd je třeba dodávat dodatečné množství humusu do půdy, který zajistí její dobrou zpracovatelnost, vhodné vláhové poměry, strukturnost, snížení možnosti eroze a rozbahnění. Proto je žádoucí využít organickou hmotu z odpadů v maximální možné míře pro výrobu kompostů. Zvláštní způsob kompostování je výroba tzv. vermikompostu, který byl zaveden v USA s využitím kalifornských žížal. Vzniklý kompost má poměrně dobře stabilizovanou organickou hmotu, vysoký obsah huminových a fulvokyselin a vysoký obsah hormonů a enzymů. Uvádí se, že tímto způsobem lze ze zpracovávaného odpadu izolovat i těžké kovy, ty se však hromadí v těle žížal a vyvolávají problém s jejich dalším využitím.

Obr. 39 Kompostování systémem Dano 11.10 Hlavni zásady pro výrobu kompostů z komunálních odpadů Pouze část komunálních odpadů lze kompostovat. V průměru lze z l tuny odpadu vyrobit, v závislosti na místních a klimatických podmínkách, 350 - 500 kg kompostu. Přibližně 150 - 250 kg se ztratí vypařením a konverzí na plyn během kompostování. V tabulce 16 je uveden povolený obsah těžkých kovů v surovině podle normy ČSN 465735. Z údajů v tabulce je zřejmé, že největší pozornost je třeba věnovat Cd, Hg, Pb, Zn a Cu. Za další nebezpečné odpady z hlediska obsahu těžkých kovů třeba považovat rybniční bahno, stromovou kůru a uhelné kaly. Při kompostování je nezbytné použít dokonale homogenizovanou surovinu a dodržet požadovanou vlhkost. Dokonalou a řízenou aeraci je v zásadě možno docílit pouze nuceným větráním buď tlakovým v bioreaktorech (uzavřený kompostovací proces) nebo odsáváním přes 94 PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory Pro www.fineprint.cz

Diplomová práce děrované dno na uzrávací desce. Pro omezení pachové zátěže okolí je třeba zásadně využívat biologické filtry. Při fermentaci na zračí desce je nebezpečí, že v některých místech zakládky nedojde k dokonalé aeraci a odvodu tepla, proto se doporučuje přehazování materiálu.

Tab. 16 Maximální přípustný obsah těžkých kovů v surovinách pro výrobu průmyslových kompostů

Kov

Maximální hodnoty mg. Kg-1 v sušině

As Cd Cr Cu Hg Mo Ni Pb Zn

50 13 1000 1200 10 25 200 500 3000

11.11 Požadavky na správný způsob kompostováni Potřeba vody pro rozklad. Pro zajištění optimálního způsobu kompostování je nutné dostatečné množství vody a kyslíku, vhodná teplota a přítomnost mikroorganismů. Rozkladné organismy mohou přijímat svou potravu jen v rozpustné formě. K dostatečnému zásobování mikrooganismů vodou a kyslíkem musí být jednak částice určené k rozkladu potaženy jemnou vrstvou vody, jednak je třeba dostatečné pórovitosti pro přístup vody a kyslíku. Činnost mikroorganismů a teplota. Pro většinu termofilních bakterií byl zjištěn optimální rozsah teplot v rozmezí 50 - 55 °C. Při 70 °C jsou houby již skoro neprokazatelné, termofilní aktinomycety jen v nepatrném množství, zatímco termofilní bakterie jsou ještě ve značném počtu. Při 80 °C po dobu více dnů nastává odumření mnohých forem. Zásobování kyslíkem. Aerobní mikroorganismy potřebují pro svůj růst kyslík, který ovšem mohou využívat jen v rozpustné formě. Rozpustnost kyslíku ve vodě je velmi nepatrná


Diplomová práce - l litr vody při atmosférickém tlaku a 20 °C obsahuje jen 6,2 ml (0,28 mmolu) kyslíku. Toto množství stačí k oxidaci právě jen 0,046 molu, tj. 8,3 mg glukózy. Kyslík je tedy třeba během rozkladného procesu kontinuálně přivádět. Ačkoliv jsou aerobní mikroorganismy přizpůsobeny malé koncentraci rozpuštěného kyslíku, nesmí jeho obsah klesnout pod určitou minimální hodnotu, tzv. kritickou koncentraci kyslíku, při které ještě není ohroženo dýchání buněk. Stoprocentní aerobní rozklad není zejména ve velkých závodech prakticky možný. Velmi rychlým vývojem mikroflóry, který se projeví také prudkým vzestupem teploty při začátku rozkladu zejména v počáteční fázi, může dojít ke značnému vývinu CO 2, k částečnému nedostatku kyslíku, na který mikroorganismy odpovídají změnou látkové výměny. Místo CO2 se pak tvoří organické meziprodukty a vytváří se anaerobně-aerobní rovnovážný stav. Potřebný vzdušný kyslík může být dodáván buď volným uskladněním nebo umělým odvětráváním. Provzdušnění může v počáteční fázi rozkladného procesu také sloužit k odvodu tepla, tzn., že usnadní odstranit přebytek tepla, který by vedl ke zpomalení a zastavení rozkladu. Dusík. Jestliže biologický rozklad probíhá při nízkém obsahu kyslíku, nemůže se poměrně vysoký obsah dusíku obsažený v bioodpadu oxidovat a uniká ve formě NH 3, organických dusíkatých sloučenin (např. aminů či pyridinových derivátů) nebo také jako elementární dusík. Fytotoxické působení. Čerstvá organická hmota může v půdě působit odumírání kořínků rostlin. Právě v počátečních fázích rozkladu nejsou některé substance i přes vysoký přívod kyslíku ještě dostatečně oxidovány, aby neškodily rostlinám. Bylo zjištěno, že materiál, který byl kompostován při staticky nuceném provzdušňování, ztrácí toxicitu pro fyziologii rostlin velmi rychle, naproti tomu při pouhém přehrnování je třeba delší doby. 11.12 Systémy kompostování biologického odpadu Při vývoji kompostování jako součásti integrovaného systému nakládání s odpady se došlo k následujícím zjištěním: ü Kompostovací systémy používané pro domovní odpad je třeba podrobit kritickému zhodnocení dříve, než budou zavedeny pro kompostování biogenního odpadu z domácností, živností a průmyslových podniků.


Diplomová práce ü Emise pachových látek jsou v technice kompostování stále více v popředí pozornosti pachové emise je třeba snížit jednoduchými způsoby na minimum. ü Dosavadní způsoby kompostování na hromadách lze napříště používat jen pro malá množství, mimo zástavbu. ü Velké závody bude třeba zřizovat jako uzavřené kontejnerové systémy, které mají řízený provoz a kontrolované

provzdušňovací zařízení. Dosavadní způsoby kompostování

domovního odpadu se pro velké závody nehodí.

ü Je třeba dbát na to, aby obsah škodlivin v kompostech byl co nejmenší a byl v souladu s požadavky ochrany životního prostředí. ü Aby bylo možno odpady zhodnocovat jako průmyslový produkt, je třeba zvládnout provozně technické problémy tak, aby byly splněny požadavky na snášenlivost kompostu rostlinami. 11.13 Kompostování na hromadách Používání dosavadního plošného kompostování, ať už na plochách nebo řadách bude v budoucnu patrně vyhrazeno jen pro malé odlehlé závody a bude se dávat přednost kompostování na hromadách. Technologický postup: ü

pro uskladnění bioodpadu je třeba upravit zpevněnou plochu, která by měla být

zastřešena a odvodněna, ü ü

bioodpad ze separovaného sběru se nebude rozmělňovat, k zajištění dostatečné pórovitosti pro vlastní rozklad by se mělo přidat 20 - 30 %

rozemletých zelených (zahradních) odpadů, zejména v letních měsících, ü

zelené odpady, především výřez stromů a keřů, je třeba rozemlít, aby došlo k rychlému

rozkladu a pokud možno k malému zbytku na sítě při prosévání, ü

plocha pro kompostování musí být zpevněna tak, aby vodní

pronikat do podloží,


výluhy nemohly


k urychlení procesu rozkladu by se měl odpad přehrnovat kompostovací frézou. Náklady

na pořízení kompostovací plochy jsou rozhodujícím ekonomickým faktorem. Je proto třeba technickými opatřeními dobu rozkladu co nejvíce zkrátit. Tab. 17: Vliv způsobu a intervalu přehrnování odpadu na dobu rozkladu

Odpad:

bioodpad a řezané větve

\ . způsob

2. způsob

Četnost přehrnování Doba rozkladu

5krát pomocí 3 měsíce

malá, nakládačem 8- 12 měsíců

Jakost kompostu

27,9 % hm. sušiny

26,1 % hm. sušiny

Dusík celk.

l,3%suš.N

1,1 %suš. N

Nitráty

510 ppm suš.

230 ppm suš.

Amoniak

30 ppm suš.

210 ppm suš.

ü

během předrozkladné fáze l. a 2. týden mohou teploty vystoupit výše než 70 °C.

Při dostatečné pórovitosti klesnou tyto vysoké teploty během několika dnů. Nemá-li dojít k šíření zápachu, nesmí se v této době přehrnovat,

ü

rozkladný proces je silně ovlivňován rozdílným složením výchozího

materiálu. Odpady s mimořádně vysokým obsahem vody, např. tráva nebo odpady z tržnice, mohou při nedostatečném promísení způsobit poruchy rozkladu. Každé přehrnutí by mělo být prováděno tak, aby materiál byl volně uložen a dobře promísený. Ukázalo se, že při dostatečném objemu pórů, tedy při dostatečném přídavku strukturního materiálu, není třeba nucené odvětrávání, ü jako optimální se ukazuje výška vrstvy 1,5 - 1,8 m, ü

při velkých srážkách (nad 800 mm za rok) je vhodné zakrýt kompostovanou vrstvu

vhodným materiálem k regulaci vodního režimu nebo kompostárnu zastřešit,

ü

materiál může být při vícenásobném přehrnování (týdenním) po 8 týdnech proset a

uložen k dozrání. Výška vrstvy by neměla v této fázi překračovat l ,8 m, aby byl umožněn přístup vzduchu pro nitrifikaci, 98 PDF vytvořeno zkušební verzí pdfFactory Pro www.fineprint.cz


je-li dodržen odpovídající postup, kompost může být vyzrálý již za 3 - 4 měsíce.

11.14 Uzavřené kompostovací systémy Emise pachových látek při technickém kompostování se stává stále naléhavějším problémem. Už při dovozu odpadu vznikají těkavé chemické látky, ale také produkty kvasných procesů. Alifatické kyseliny - octová, máselná, valerová - unikají při přehrnování nebo nuceném provzdušňování, zejména během první fáze rozkladného procesu. Vzhledem k emisím pachů je proto třeba kompostárny budovat v uzavřených prostorách. Uzavřené systémy jsou však z mechanického hlediska mnohem náchylnější k poruchám než otevřené. Dalším problémem je vysoký obsah CO2 v ovzduší uzavřených systémů. Povolená koncentrace je podstatně překračována. Musí-li vstoupit obsluha do uzavřeného prostoru, je třeba zvýšit výměnu vzduchu, případně zastavit nucené provzdušňování. Kompostování biogenních odpadů se vzhledem k jejich značnému množství může stát integrální součástí plánů nakládání s odpady. To ovšem bude možné jen tehdy, budou-li pro značně komplexní biologický proces použity vhodné technologie a budou-li vytvořeny potřebné kapacity. Přitom je ovšem třeba vzít v úvahu, že takový kompost je možno využít jen při nízkém obsahu škodlivých látek.

12 Biodegradace 12.1

Biologická detoxikace nebezpečných odpadů K perspektivním způsobům detoxikace nebezp.ečných odpadů patří biodegradace,

zapracování nebezpečných odpadů do půdy a enzymatické systémy Mezi metodami uvažovanými pro rozklad nebezpečných odpadů patří použití živých organismů nebo jejich produktů umožňujících detoxikovat nebo rozložit nebezpečné chemikálie procesem zvaným biodegradace. Biodegradace je ekonomicky výhodná, vysoce účinná metoda, přitom jen s nepatrnými škodlivými důsledky pro životní prostředí. Tyto metody jsou součástí biotechnologie. Pro zpracování nebezpečných odpadů přicházejí v úvahu tyto systémy: ü aerobní zpracování např. aktivovaných kalů, vzdušněných lagun, ü rotační biologické kontraktory, ü anaerobní zpracování jako je anaerobní vyhnívání, případně další anaerobní procesy.


Diplomová práce K moderním technikám biodegradace patří vývoj mikroorganismů specifických pro degradaci nebezpečných odpadů, jako jsou např. chlorované uhlovodíky. Další možností je zvyšování aktivity přírodně se vyskytujícících mikroorganismů, při kterých se kontaminovaná oblast může dekontaminovat vlastními prostředky po řízeném zásahu optimalizujícím biodegradační proces. Velmi slibným přírodně se vyskytujícím organismem s vysokým degradačním potenciálem je houba Pha-nerochaete chrysosporium, a to i pro chlorované aromatické uhlovodíky jako je DDT. Houby Phanerochaete chrysosporium patří do skupiny dřevokazných hub a vyskytuji se ve ztrouchnivělém dřevě téměř všude na severní polokouli. V přírodě vyvolávají rozpad dřeva tím, že rozkládají lignin, který je vedle celulózy hlavní složkou dřeva. Lignin je složitý aromatický polymer, který je jinak proti rozkladu velmi odolný. Nyní se studuje možnost využít tyto houby pro zpracováni odpadních materiálů z průmyslových procesů, zejména z průmyslu výroby papíru a celulózy a odpadů z výroby trinitrotoluenu i některých čistých organických látek. Specifický přístup k detoxikaci nebezpečných odpadů používá firma Polybac z USA. Spočívá v tom, že se odebírají vzorky mikroorganismů v místech, kde se nebezpečné odpady vyskytují a snaží se z nich vyšlechtit laboratorně vysoce účinné a odolné kmeny. Jiné firmy pracují přímo s přírodními mikroorganismy nalézajícími se v místech výskytu nebezpečných odpadů a stimulují jejich růst přídavkem kyslíku, dusíku, fosforu a jiných živin. Biologické zpracování nebezpečných odpadů má před jinými metodami řadu předností. Jsou to zejména: ü možnost zpracovat odpady přímo v místě jejich výskytu, čímž se odstraní riziko s náklady při jejich dopravě, ü minimální narušení lokality, ve které se tyto odpady nacházejí, ü možnost nepřetržitého zneškodňováni odpadů, ü odpady se rychleji odbourávají než při jejich vypuzování vzduchem či adsorpcí na aktivním uhlí, ü nižší náklady než u jiných metod, ü postup lze použít v kombinaci s jinými metodami jako konečný čisticí krok, umožňující odstranit i stopové nečistoty, které se jinými metodami neodstraní. Zatím však jsou konvenční metody levnější a v některých případech i účinnější.


Diplomová práce Využívání mikroorganismů, jako všech živých materiálů, má též své omezení. Při teplotách pod 19 °C se jejich metabolismus zpomaluje, a kromě toho ne všechny kontaminanty ve vodách a půdách jsou biologicky odbouratelné. Rychlost odbourání závisí na poměru mikroorganismů a kontaminantů. Neexistují dosud mikroorganismy pro zpracování všech druhů chemických produktů. Na rozdíl od dřevokazných hub jsou bakterie nejenom nespecifické, ale nejsou ani schopny zpracovávat kontaminanty ve stopových koncentracích. Předpokládá se, že houby mohou degradovat dioxin přítomný v libovolné koncentraci. Hlavní nevýhoda hub spočívá v tom, že žijí na povrchu různých materiálů, a proto vyžadují přítomnost kyslíku. 12.2

Zapracování nebezpečných odpadů do půdy Zapracování nebezpečných odpadů do půdy (landfarming) je proces zneškodňování

odpadů, při kterém jsou odpady smíchány nebo zapracovány do povrchové vrstvy půdy a řízeným způsobem degradovány, transformovány nebo imobilizovány. Ve srovnání s jinými procesy biologického zneškodňování (skládkování) je tento proces méně náročný na dlouhodobé monitorování a údržbu. Z toho důvodu se uplatňuje zejména jako způsob konečného zneškodnění. Na rozdíl od skládek, kde jsou odpady ponořeny do podpovrchových vrstev, využívá tento proces povrchové vrstvy půdy jako médium pro zneškodnění a je založen na principu aerobního rozkladu organických složek nebezpečných odpadů. V zahraničí, zejména v USA, je v provozu celá řada takových zařízení, především v rafineriích ropy a v chemických závodech. Za řízených podmínek půda může sloužit jako účinné médium pro zpracování a zneškodňování mnoha nebezpečných odpadů. Je to dynamický proces pro zneškodňování a imobilizaci odpadů, jehož průběh závisí na složení odpadu, charakteru půdy, klimatu a biologické aktivitě určené ke zneškodnění. Organické látky určené ke zneškodnění musí být biologicky rozložitelné s dostatečnou rychlostí. Tento proces lze tedy použít pro biologicky rozložitelné odpady, kapalné radioaktivní odpady (těkavé, reaktivní nebo hořlavé), není vhodný pro anorganické odpady jako jsou těžké kovy, kyseliny, zásady, kyanidy a amoniak. Podmínky vhodné pro růst rostlin jsou rovněž vhodné pro aktivitu mikroorganismů rozkládajících odpadní materiály. Přednosti procesu spočívají zejména v tom, že


Diplomová práce ü plocha, na které probíhá zneškodňování, je nepřetržitě sledována, takže nápravná opatření lze podniknout okamžitě, jakmile se zjistí únik odpadů z oblasti zpracování, ü náklady na tento způsob zneškodnění jsou nižší než na skládkování či spalování, ü použitá plocha může být po dokončení procesu přeměněna na užitkové plochy, jako jsou trávníky nebo hřiště. Nevýhodou je zejména, že: ü

proces je použitelný pouze pro vybrané druhy odpadů,

ü

je zdrojem emisí a zápachů, mnohdy škodlivých zdraví.

12.3

Enzymatické systémy Enzymy schopné přeměnit nebezpečné odpady na netoxické produkty lze vypěstovat z

mikoorganismů rostoucích v různých kulturách. Vznikající nebuněčné enzymy lze použít pro detoxikaci kontaminantů vody a půdy. Takové surové enzymatické extrakty získané z mikroorganismů, mohou např. přeměnit pesticidy na méně toxické a vůči rozkladu méně odolné produkty. Použití enzymů k detoxikaci složek nebezpečných odpadů je zcela nová, rychle se rozvíjející oblast. Detoxikace chemikálií v nebezpečných odpadech spočívá ve schopnosti enzymu vyvolávat různé změny substrátu. Detoxikaci se zde míní přeměna toxických látek na neškodné metabolity, přičemž substrát nemusí být mineralizován. Mineralizací se rozumí přeměna organických substrátů na anorganické produkty. Schopnost mikroorganismů přeměnit toxické substráty na méně toxické metabolity hraje významnou roli při mineralizaci substrátu. Méně toxické metabolity vedou zpravidla ke snadnější degradaci výchozích toxických substrátů. Praktické uplatnění pro transformaci nebezpečných materiálů mají např. oxidoreduktázy jako ligninázy a peroxidázy (štěpení ligninu) a hydrolázy (např. při detoxikaci nitrilů).


Diplomová práce

13-15. Konstrukční výpočty

13. Výpočet výkonu elektromotoru pro pohon turbínového kola a. Podle knížky – Hydraulické pochody Dáno: n = 30 ot.min-1= 0,5 ot. s-1 ρ = 1050 kg.m-3 η = 100 Α= viz literatura Hydra. pochody Rem =

n.d 2 . ρ 0,5 . 0,52.1050 = = 1,313 η 100

(13.1)

Re m ≤ 10

(13.2)

  A  A2 A K =  1  + ( A 3R A5 ) + A6  =   Re  Re 4. e  

(13.3)

 73.1  1,595 − 6,51  +  3.24.10 − 5. 2 ,.625 2 , 625 2 , 625    

 + 13,44 = (201,58 − 6,51 + 13,44 ) = 208,51  

P1 = K .n 2 . d 3 .η = 208,51. 0,5 2.0.5 3.100 = 651,6 W

(13.4)

b. Podle knížky – Míchaní a míchací zařízení viz literatura Dáno: dynamická viskozita biomasy – tuto hodnotu jsem přirovnal k viskozitě melasy jejíž hodnota 100 Pa.s Tab.18 Hodnoty Eum


Diplomová práce

Z tabulky je odečtena příslušná hodnota Eum. φ =100 = Eum

(13.5)

φ . Rem = C = 100.1,31 = 131

(13.6)

Výpočet výkonu míchadla: P = C . n .d 3 .η = 131.0,5.0,5 3.100 = 816 W 13.1

(13.7)

Konstrukce lopatky:

Rozměr lopatky: (viz norma turbínového kola): h = 0,2 ⇒ h = 0,2. 0, 5 = 0,1 m d

(13.1.1)

l = 0,25 ⇒ l = 0,25.0,5 = 0,125m d

(13.1.2)

Celková plocha lopatky podle normy: S1l = 0,1. 0,125 = 0,0125m2

(13.1.3)


Diplomová práce Moje plocha jedné lopatky: Profil T 80 ČSN 425580 Sml = 0,08.0,150 +0,08.0,116 = 0,012 +0,00928 =0,02128 m2 X =

S m1 S m1 0,0213 = = = 1,7 S1l S1l 0,0125

(13.1.4) (13.1.5)

Plocha normované lopatky je X menší oproti mému návrhu. Proto budu muset zvětšit sílu a výkon na lopatku 1,7x.

13.4

Zohledněná větší plocha míchadla:

a. Výkon na elektromotoru: Dáno: výkon (P) = 816 W, konstanta navýšení (X) = 1,7 Ps = P. X = 816.1,7 = 1387,2 W

(13.4.1)

b. Skutečný kroutící moment: Dáno: výkon (P) = 816 W, otáčky (n) = 0,5 ot/s Mk =

Ps P 1387, 2 = s = = 441,6 N .m ω 2 π n 2.3,14.0,5

(13.4.2)

c. Moment na jednu lopatku: Dáno: počet lopatek (k) = 6 M 1lop =

M k 441,6 = = 73,6 N . m k 6

(13.4.3)

d. Síla na jednu lopatku: Dáno: moment kroutící jedné lopatky (M1lop) = 73,6, rameno lopatky (r) = 0,25 F1lop =

M 1lop r

=

73,6 = 294,4 N 0,25

(13.4.4)


Diplomová práce

13.5

Návrh průměru hřídele pro míchání:

Dáno : síla na jednu lopatku:

F1lop = 294,4 N .m

Moment kroutící:

M 1lop = 73,6 N .m

Max. naklopení ložisek:

Výpočet a návrh hřídele je proveden v programu Mechsoft Profi pro Autodesk Inventor 6. Přičemž počítaná namáhaná hřídel na ohyb a momentem kroutícím obr.. Všechny tyto síly jsem zadal a vyšel hřídel obr.1 a jeho průhyb po celé délce obr: 2 Obr.40 Navržený hřídel a následné hodnoty

Obr 41. Ukázka prostorového zatížení

Hřídel konstrukčně správně vychází s průměrem 65 mm a délky 1000 mm viz obr.1 Maximální reakce po součtu x-y a x-z je 857 N


Diplomová práce

Obr. 42 Průběh průhybu po celé délce hřídele

Největší průhyb ložiska je vyznačen zelenou barvou: β = 0,0056.10−3 rad

13.6

Kontrolní vypočet ložisek: a) Natočení:

β = 0,056.10 −3 = 0,00056 ° ≤ 0,16

vyhovuje

b) Životnost ložisek: jsem zkontroloval pomocí programu Mechsoft Profi pro Autodesk Inventor 6.

Program Inventor 6 zvolil a zkontroloval ložisko: Typ SKF 61910, hodnoty viz obrázek obr. 3


Diplomová práce

Obr.43

Životnost: Je viz výpočet - Lh = 30773,66 hodin(3,5 roku). Síla radiální je 857 N.


Diplomová práce

Program Inventor 6 zvolil a zkontroloval ložisko: Typ SKF 61910, hodnoty viz obrázek obr.43

Životnost: Je viz výpočet - Lh = 10538,15 hodin(1,2 roku). Síla radiální je 526 N 13.7 Navržení pérového spoje:: Navrhl a zkontroloval pomocí programu Mechsoft Profi pro Autodesk Inventor 6. Obr. 45

13.8

Návrh elektromotoru: Dáno: výkon (P)= 1,387 kW

Proto volím přírubový asynchronní elektromotor o výkonu 1,5 kW (4-pól), s frekvenčním měničem od firmy: SIEMENS – ECOFAST COMBIMASTER 411 – 90S 1UA2 090 Odpovídá tento viz obrázek


Diplomová práce Obr. 46

Schéma zapojení: Obr. 47

Obr: Vlastní motor s měničem


Diplomová práce

13.9 Návrh frekvenčního měniče: Dáno: jmenovitý skluz) = 0,03, rozsah otáček 0 až 30 ot. min -1, frekvence (f) = 50 Hz, počet pólů (p) = 2, ns = 1420 ot.min-1 Obr.48 Jmenovité otáčky motoru: 60. f 60.50 n s1 = = = 1500ot. min −1 p 2 nn = n s1 . − n ś = 1500 − 1420 = 80 ot. min −1 Rozdíl otáček:

d n = ns1 − nn = 1500 − 1420 = 80 ot. min −1 Výpočet frekvence:

f min = (nmin + d n ).

f 50 = (0 + 80) = 2,6 Hz n s1 1500

f max = (n max + d n ).

13.10

f 50 = (30 + 80 ) = 3,6 Hz n s1 1500

Pevnostní výpočty pro kontrolu lopatky:

a) Kontrola míchací lopatky na dovolené namáhání v ohybu: Dáno: síla jedné lopatky (F1lop) =294N, délka ramene síly (b) =170 mm M lop =

F1lop 294 = = 3458,8 N . m = 3 458 800 N .mm b 0,085 2

obr. 49


(13.10.1)

Diplomová práce

2. kontrola

Mk

M

1. kont.

1lop

F

1lop

Volím profil T 80 x 80 ČSN 425580: modul průřezu v ohybu (Wo) =8570mm3, modul průřezu v krutu (Wk) = 4050mm3

σ0 =

M 1lop Wo

=

3458800 = 403 Pa 8575

(13.10.2)

b) Kontrola ramene lopatky na kroutící moment Dáno: síla jedné lopatky (F1lop) =294N, délka lopatky (a) = 250 mm

Mk2 = F1lop.a = 294. 250 = 73 500 N.mm σk =

M 2lop Wk

=

73500 = 18Pa 4050

Lopatka je pevnostně předimenzovaná v ohybu i v krutu, protože jsem musel zohlednit plochu pro míchání a také jsem musel volit normalizovaný profil.

13.11

Návrh nosné konstrukce: hmotnost biomasy (mB) = 200kg, motoru (mm) = 12,9 kg, , hřídele (mh) = 30 kg, víka (mv) = 150kg, lopatek (ml) = 21 kg, počet ramen (J) =4


Diplomová práce mc = m B + mm + m h + mv + ml mc = 200 + 12,9 + 30 + 150 + 21 = 386,9kg FG = mc . g = 386,9. 9,81 = 3795,5 N FG 3795,5 = = 948,9 N J 4 Fx = cos α . F1 = cos 35° . 948,9 = 777,3 N F1 =

Fy = sin α . F1 = sin 35 °. 948,9 = 544,26 N

Obr. 50

Obr.51

Obr.52


Diplomová práce

13.12 Navržení spojky: viz katolog Obr.53


Diplomová práce

14 Pevnostní výpočet průhledného obalu:

σo =

Mo 550 550 = = = 44.81.10 6 MPa 3 3 Wo π .(d 2 − d 1 ) π .(0,6 − 0,55) 32 32

(14.1)

15 Kontrola svarové plochy obr. 54

plocha svaru T1 T

2 2 1 1 1 1  t + u    80 + 1   J x = 2. .u..t 3 + .u 3 . w + u.t. = 2. .1.803 + 1 .13.80 + 0,5.80 =    12   12  12 2 12 2         4 = 2(42666 + 6,6 + 65610 ) = 108282,6 mm

(15.1)

Zjistil jsem tìižiště programu inventor y = 22,624mm e = 22,624mm M F .l 147900 τ⊥ = o = = = 30,9 MPa Wo J x / e1 108282,6 / 22,624 τs =

F M 1lop / r 147900 / 80 = = = 23,1MPa S 2.a.h 2.0,5.80 2

2

τ   τ   30,9   23,1  τ s =  ⊥  +  s  =   +  =  0,8   0,7   k3   k 4  2

2

(15.2)

(38,62 )2 + (33)2

= 50,79 MPa

vyhovuje svar o tloušťce 1 mm ale vzhledem k tloušťce polotovaru volím svar výšky 5mm


Diplomová práce


Diplomová práce

16 Závěr V této diplomové práci jsem se zaměřil na konstruování fermentoru na anaerobní digesci, neboť v posledních letech výrazně stoupá zájem o technologii bioplynu. Bioplyn je tak starý jako život na naší planetě. Je to vysoce hodnotný zdroj energie a proto může být všestranně a účinně využit. Navržený fermentor o objemu 200 l válcovitého tvaru je uložený horizontálně, uvnitř je biomasa míchána šesti lopatkami, které jsou poháněny asynchronním motorem a pro jeho změnu otáček je navržen příslušný frekvenční měnič. Otázky se regulují od 0 do 30 otáček za minutu. Současný využitelný potenciál bioplynu je stále nejméně pětkrát vyšší než skutečně využívaný. Bioplynové stanice mohou významnou měrou přispět k ochraně vody, ovzduší a kulturnosti krajiny včetně turistického ruchu. O budoucnosti bioplynových stanic v České republice není pochyb. Že se jedná o perspektivní zdroj alternativní energie, dokazuje současná výstavba i příprava realizace většího počtu bioplynových stanic v sousedním Německu. U nás v současné době spoléháme na získání finančních prostředků z podpůrných programů EU, kterých není pro tento účel mnoho. Že je však nutno se tímto problémem zabývat, dokládá i fakt, že v České republice je termicky zpracováváno přibližně jen 6 % odpadů a ve vyspělých státech tento podíl činí 20 – 30 %.


Diplomová práce

17 Seznam použitých pramenů 1. Havličková, K. a kolektiv: Biomasa zdroj obnovitelné

energie v krajině.

Výzkumný ústav Silva Taroucy pro krajinu a okrasné zahradnictví, Průhonice, 2000. 46 s. ISBN 80-85116-32-4. 2. Koukios, E. G.: Biomasa. Výzkumné energetické centrum VŠB-TU Ostrava. 3. Cenka M.: Obnovitelné zdroje energie. Nakladatelství FCC PUBLIC s.r.o., 2001. 208 s. ISBN 80-901985-8-9. 4. Straka F. a kolektiv: Bioplyn, GAS s.r.o. Říčany, 2003. 517 s. ISBN 80-7328-029-9 5. Jeřábek, K.: Metodika navrhování strojů. 1. vyd. Praha, Ediční středisko ČVUT, Praha, 1999. 119 s. 6. Juchelková, D.: Likvidace a využití odpadů. 1. vyd. Ostrava, VŠB- TU Ostrava, 2000. 73 s. ISBN 807078-747-3. 7. Kuraš, M.: Technologie zpracování odpadů. 2. vyd. Praha, Ediční středisko VŠCHT, 1993. 279 s. ISBN 80-7080-195-6. 8. Obroučka, K.: Termické zneškodňování odpadů. 1. vyd. Ostrava, VŠB – TU Ostrava, 1997. 144 s. ISBN 80-7078-505-5. 9. Novák, V. - Riegel, F.: Hydraulické pochody, České vysoké učení technické v Praze, 2000. 317 s. 10. Strek, Fryderyk: Míchání a míchací zařízení. SNTL Praha, 1977. 384 s. 11. Vávra, P. a kol.: Strojnické tabulky. Nakladatelství technické literatury, 1985. 671 s. ISBN 549204-218-83. 12. Kříž, R. – Vávra, P.: Strojírenská příručka. Třetí svazek. Vydalo nakladatelství SCIENTIA, Praha, 1993. 254 s. ISBN 80-85827-23-9. 13. Kříž, R. – Vávra, P.: Strojírenská příručka. Šestý svazek. Vydalo nakladatelství SCIENTIA, Praha, 1995. 291 s. ISBN 80-85827-88-3. 14. Hejátková, K.- Jelínek, A.: Faremní kompost, Reprografické studio VÚZT, Praha, 2002. 74 s. ISBN 80-238-8539-1.

http://www.ceskaenergetika.cz

10. 1. 2004

http://lea.ecn.cz

10. 3. 2004

http://www.emcon.cz

12. 4. 2004

http://www.spvez.cz

21. 4. 2004 118


Diplomová práce

18 Přílohy 1. Výkres sestavy fermentoru: KON - A0 – 1

2. Výkres fermentoru: KON – A0 – 2 3. Příloha č.1: Obrázky kogeneračních jednotek firmy TEDOM


Diplomová práce

Příloha č.1: Obrázky kogeneračních jednotek firmy TEDOM a část katalogu vyráběných jednotek


Diplomová práce

Můj fermentor: obr. z animace souboru fermentor.avi - (CD)


Diplomová práce


Diplomová práce


Diplomová práce

Poděkování Za cenné rady, informace a připomínky při sestavování diplomové práce děkuji vedoucímu diplomové práce Prof. Ing. Josefu Jurmanovi, Csc a Prof. Ing. Dagmar Juchelkové, Csc.

Jaroslav Michálek


Fermentor na anaerobní digesci

Recommend Documents