Optimální volba kalové koncovky a výhody nízkoteplotního sušení Karel Hartig 1) a Josef Kutil 2) 1)HYDROPROJEKT CZ a. s., Táborská
31, 140 16 Praha 4 2) CENTRIVIT spol. sto., agency of ANDRITZ S.A.S. and ANDRITZ Separation GmBH, Urxova 9, 186 00 Praha 1
Obsah přednášky 1. 2. 3. 4.
Úvod Bilance stabilizovaných kalů Stabilizace kalů Hlavní možnosti využívání stabilizovaných kalů 5. Sušení kalů 6. A co s vysušeným kalem? 7. Souhrn
2
Úvod •Kalové hospodářství je nedílnou součástí každé čistírny odpadních vod •Zatímco biologicky vyčištěná odpadní voda odtéká do recipientu, produkovaný kal je nutné stabilizovat a následně „někam“ umístit v souladu s platnou legislativou •Možnosti, co dále udělat se stabilizovaným kalem se stávají ekonomicky stále náročnější •Problematika nakládání s kaly čeká v EU i v ČR na zásadní novelu •Postupným útlumem skládkování se konečná likvidace stává stále větším Kalokkteré bude vyhovovat jak z technicko problémem, přičemž se stále hledá řešení, ekonomického hlediska, tak bude i akceptováno veřejností
3
Bilance stabilizovaných kalů
4
Souhrnná kalová bilance • Produkci kalů nelze zabránit • Požadavky na vyšší kvalitu vypouštěné vody obvykle zvyšují množství produkovaných kalů. • Teoretickou produkci kalu lze přibližně vypočítat na základě přivedeného znečištění a znalosti technologie čištění odpadních vod a stabilizace kalů • Teoretická produkce nestabilizovaného kalu se pohybuje okolo hodnoty 56 g/ekvivalentního obyvatele a den • Biologická stabilizace kalu snižuje jeho produkci, protože část organické hmoty se přemění na bioplyn, popř. se zoxiduje při aerobní stabilizaci • Publikované údaje za rok 2010 dokumentují následující způsoby odstraňování kalů: přímá aplikace na půdu a rekultivace kompostování skládkování Spalování jinak Celkem
60 639 t/sušiny.rok 45 528 t/sušiny.rok 6 177 t/sušiny.rok 3 336 t/sušiny.rok 55 009 t/sušiny.rok 170 689 t/sušiny.rok
5
Souhrnná kalová bilance
6
Podmínky platné pro odstraňování kalů Pro odstraňování kalů nelze používat libovolné metody, protože použitelné metody odstranění stabilizovaných kalů musí splňovat různá kritéria. Hlavní kritéria lze shrnout do několika bodů: •Použitá metoda musí plně vyhovovat platné domácí (i mezinárodní) legislativě v oblasti ochrany životního prostředí •Použitá metoda musí být akceptována veřejností •Použitá metoda by měla maximálně využívat energii a cenné látky z kalů za současné minimalizace nákladů a celkové potřeby energie •Použitá metoda musí být po technické stránce spolehlivá a ekonomicky přijatelná Akceptovatelnost technologie zpracování kalů veřejností nelze opomíjet a v současnosti ovlivňuje především možnost použití spalování kalů a to bez ohledu na ekonomickou stránku použití této metody. Obdobný případ se týká i aplikace kalů na zemědělskou půdu. Nestačí totiž, aby stabilizovaný kal svým složením odpovídal platné legislativě, ale musí být ochoten jej někdo odebírat.
7
Stabilizace kalů
8
Hlavní metody stabilizace kalů • Proces stabilizace kalů Před odvozem kalů z čistírny odpadních vod musíme kaly nejdříve stabilizovat se nesmí zaměňovat s procesem hygienizace kalů především s cílem omezení jejich zápachu, biologické rozložitelnosti a • Před odvozem kalů z čistírny odpadních vod musíme kaly nejdříve stabilizovat mikrobiálního oživení. především s cílem omezení jejich zápachu, biologické rozložitelnosti a • mikrobiálního oživení. Pro stabilizaci kalů máme k dispozici několik hlavních metod, jejichž použití závisí jak na technologii čištění odpadních vod, tak i na velikosti vlastní čistírny. • Pro stabilizaci kalů máme k dispozici několik hlavních metod, jejichž použití • závisí Oddělená aerobní stabilizace kalů jak na technologii čištění odpadních vod, tak i na velikosti vlastní čistírny. • Oddělená Termofilníaerobní aerobnístabilizace kalů stabilizace kalů • Termofilní aerobní stabilizace kalů – Se vzduchem – S kyslíkem
•
Anaerobní stabilizace kalů – Při mezofilní teplotě – Při termofilní teplotě
9
Přehled produkce bioplynu z jednotlivých zdrojů – rok 2010
Počet zařízení na výrobu elektřiny
Instalovaný Hrubá výroba elektrický výkon elektřiny (MWh) (kW)
Vlastní spotřeba včetně ztrát (MWh)
Dodávka do sítě (MWh)
Přímé dodávky (MWh)
76 9
17 767 1 349
85 002,1 4 971
69 001,9 4 295,2
16 000,2 675,8
0 0
Skládkový plyn
196 84
74 990 23 778
447 423,6 97 265,3
49 645,5 9 214,3
392 861,0 87 971,0
4 917,1 80,0
Celkem
365
117 884
634 662,0
132 156,9
497 507,9
4 997,2
Komunální ČOV Průmyslové ČOV Zemědělské bioplynové stanice
10
Hlavní možnosti využívání stabilizovaných kalů
11
Hlavní možnosti využití stabilizovaných kalů Recyklace stabilizovaných kalů
– Rekultivace
skládek a přímé hnojení zemědělské půdy – Kompostování a využití kompostů na zemědělské půdě – Energokomposty a jejich následné spalování
Destrukční metody
‐ Spalování odvodněného kalu ‐ Sušení kalu ‐ Spalování usušeného kalu ‐ Pyrolýza usušeného kalu ‐ Zplyňování usušeného kalu
12
Sušení kalů
13
Sušení kalů Existuje mnoho typů sušáren •V současnosti se za nejlepší dají považovat pásové a fluidní sušárny •Hlavní problémy sušáren – Zamezení tvorby prachu – Minimalizace ovlivnění procesu sušení klihovou fází – Zamezení možnosti výbuchu při sušení a skladování úsušků Hitem poslední doby jsou nízkoteplotní sušárny, které využívají nízkokalorické teplo. Dosahují obvykle sušinu nad 85 %
14
Základní pojmy •
adhezní nebo smyková fáze (adhesion or shearing phase), tj. fáze, která existuje v rozmezí přibližně 40 % až 60% obsahu sušiny. Při této sušině čistírenský kal mění své reologické chování. V této fázi to je „lepivá hmota“, jejíž úpravě a přepravě je třeba věnovat zvláštní pozornost.
•
konvekční sušárna (convection dryer), sušicí systém, kde je teplo na kal přenášeno plynným médiem, které je v přímém kontaktu s kalem
•
kondukční sušárna (conduction dryer), sušicí systém, kde je teplo přenášeno na kal přenosem tepla z povrchu
15
Fluidní sušárny Fluidní sušárny jsou nepřímo vyhřívané sušárny Princip fluidní sušárny je založen na přivádění turbulentně proudícího vzduchu/plynu, dokud se nevytvoří fluidní lože Ve fluidním loži jsou granule kalu intenzivně míchány a odpařená voda a prach jsou odváděny z lože pryč Energie potřebná k odpaření vody se dodává topnými trubkami, které jsou umístěny ve fluidním loži Velikost granulí je obvykle 1 – 5 mm a lze dosáhnout 95 % sušiny granulí Cirkulační plyn se skládá z plynů obsažených v kalu, lehce prchavých látek a obsah kyslíku v něm nepřesahuje 3%. Tím je zajištěna auto inertizace se zabezpečením proti výbuchu a vzniku požáru. Cirkulační plyny se před vrácením zpět do sušárny zbavují prachu v cyklónu a vodní páry v chladiči
16
Princip fluidní sušárny
17
Schéma fluidní sušárny
18
Pásové sušárny • • • • • • • •
Pásové sušárny patří mezi konvekční sušárny Mohou sušit kal přímo přes adhezní fázi na sušinu cca 90 % Odvodněný kal se obvykle vytláčí pomocí trysek na pás ve formě nudliček Odvodněný kal musí být alespoň v pastovité formě, tj. obvykle nad 20 % Pásové sušárny obvykle zahrnují 2 pásy s různou rychlostí pohybu (0,5 a 0,1 m/min) V současné době převládá použití nízkoteplotních sušáren, u kterých se udržuje konstantní teplota vzduchu Pásové sušárny mají vynikající flexibilitu k získání proměnného obsahu sušiny v usušeném kalu Nízkoteplotní sušárny mohou mít problémy při dosažení sušiny kalu nad 85 %
19
Pásová sušárna
20
Pásová sušárna
21
Přívod kalu na pás sušárny
22
Požadavky na tepelnou energii • • • •
Na odpaření jedné tuny vody za normálního tlaku je teoretická spotřeba energie 627 kWh. Dalších 93 kWh na ohřev vody ze 20° C na 100 ° C a 14 kWh na ohřev tuhého materiálu. Přímé tepelné ztráty představují o něco více než 100 kWh, 20 % povrchem sušárna a 80 % vzhledem k přeměně energie. Je známo, že ztráty kouřovými plyny mohou dosáhnout 30 % a 40 % přiváděné energie. V moderních zařízeních mohou být tyto ztráty značně sníženy recirkulací, a průměrná spotřeba tepla je okolo 930 kWh/t H2O.
23
Požadavky na tepelnou energii sušáren • • • • • •
Diskové sušárny: Lopatkové sušárny: Tenkovrstvé sušárny: Pásové sušárny: Přímé bubnové sušárny: Kombinované sušárny:
855 až 955 kWh/t H2O 800 až 885 kWh/t H2O 800 až 900 kWh/t H2O 950 až 1140 kWh/t H2O 900 až 1100 kWh/t H2O 950 až 1050 kWh/t H2O
24
Požadavky na elektrickou energii • • • •
Při sušení čistírenského kalu slouží požadovaná elektrická energie primárně na pohánění sušicího zařízení. Navíc zde existuje mnoho podpůrných jednotek, např. na přepravu čistírenského kalu, úpravu odpadních par nebo pro zařízení kotle. Spotřeba pro celý systém se pohybuje mezi 70 kWh/t H2O a 110 kWh/t H2O odpařené vody. S vyšším obsahem vysušeného čistírenského kalu zásadním způsobem narůstají nároky na elektrickou a tepelnou energii.
25
Reálné údaje fluidní a pásové sušárny Na konkrétní nabídce fluidní sušárny byly získány následující hlavní parametry spotřeby energií: •Potřeba tepelné energie 822,7 kWh/t odpařené vody •Průměrná spotřeba elektrické energie 85,1 kWh/t odpařené vody •Množství provozní vody 20,4 m3/t odpařené vody •Množství odpadní vody 21,3 m3/t odpařené vody Na konkrétní nabídce pásové sušárny byly získány následující hlavní parametry spotřeby energií: •Potřeba tepelné energie 899,6 kWh/t odpařené vody •Průměrná spotřeba elektrické energie 61,8 kWh/t odpařené vody •Množství provozní vody 32,6 m3/t odpařené vody
26
A co s vysušeným kalem? • •
Řešení nabízí zplyňování kalů Zplyňování je tepelně‐chemický proces, který využívá teplo k převedení obsahující uhlík paliva na plyn rovněž určený pro spalování . Vznikající plyn se běžně označuje jako „syntézní plyn ‐ syngas“. Při zplyňování je množství vzduchu dodávaného do zplyňováku pečlivě řízeno tak , že jen malá část paliva hoří úplně, přičemž se vyvine dostatečné teplo, aby se zbytek paliva prostřednictvím pyrolýzy a chemického rozkladu přeměnil na „syntézní plyn“ a popel.
•
Syntézní plyn se skládá především z oxidu uhelnatého, vodíku a metanu, také však při pyrolýze vypařených kapalin a uhlovodíků. Principy zplyňování jsou známy více než 200 let. Zplyňování uhlí bylo rozšířeno během pozdního 18. století, kdy syngas byl palivem pro městské osvětlení a výrobu elektřiny. Dnes je zplyňování považována za jednu z univerzálních, efektivních a nejčistších metod, jak převést nízkonákladové uhlíkaté zdroje, jako jsou dřevěné zbytky, různá biomasa, organické kaly či uhlí na tepelnou a elektrickou energii.
• •
27
A co s vysušeným kalem?
28
Princip zplyňování
Zplyňování je komplexní proces, kterého se účastní celá řada reakcí. V obecném pohledu se jedná o čtyři základní pochody: sušení, pyrolýzu, redukci a oxidaci. Tyto procesy mohou probíhat postupně, např. v případě sesuvných generátorů anebo souběžně v případě fluidních generátorů
29
Porovnání spalování a zplyňování Spalování
Zplyňování
1100 °C kouřové plyny
260 °C syngas
horní vzduch palivo padá na lože, míchá povrch teplota spalování není řízena
nízká rychlost
vysoká rychlost
řízená teplota spalování spodní vzduch
spodní vzduch
palivo přiváděno pod lože, klidný přívod Kouřové plyny o teplotě 1100 °C 3,5 ‐4,0 g/kWh úlet částic Úplné spalování produkuje znečištěný teplý kouřový plyn
Syntézní plyn (syngas) o teplotě 260 °C 0,15 – 0,17 g/kWh úlet částic Částečné spalování produkuje syntetický plyn pro oddělené spalování 30
Výhody zplyňování proti přímému spalování
Výhody zplyňování proti přímému spalování za účelem výroby tepla a elektrické energie (při kogeneraci) jsou shrnuty níže:
Dosažení větší konverze paliva na elektrickou energii (vyšší teplárenský modul). Úspora primárních paliv na jednotku výkonu. Nižší měrné provozní náklady na jednotku výkonu. Zmenšení technologického zařízení na jednotku výkonu. Převedení tuhého paliva s velikým měrným objemem na plynné palivo. Snadnější odstraňování hlavních škodlivin v plynné fázi. Při spalování čistých plynných paliv s dostatkem vzduchu nevznikají tuhé emise. Možnost dosažení vyšších teplot spalováním plynných paliv. Rovnoměrný ohřev velkých ploch plynnými palivy. Lepší regulace při spalování plynných paliv. Plynná paliva se dají přímo spalovat v tepelných strojích. Možnost využít různá alternativní paliva (RDF, REF, BRKO, OP apod.). Snížení produkce CO2, SO2, NOX a POP apod. na jednotku výkonu. 31
Typické složení plynu při procesu zplyňování čistírenských kalů
Výhřevnost plynu se při autotermním zplyňování vzduchem pohybuje v rozmezí 2,5–8,0 MJ/m3 32
Provozní jednotka zplyňování kalů
33
Souhrn
• Zvolená varianta nakládání s kalem z čistíren splaškových odpadních vod musí zamezit znečišťování ovzduší, vody a půdy
• Vzhledem ke komplexní ochraně životního prostředí by měla zamezit možnosti přenosu látek obsažených v kalu do potravinového řetězce a v neposlední řadě i zamezit možnosti kontaminace životního prostředí organickými rezidui
• Vzhledem k dlouhodobému charakteru produkce kalů
a investiční náročnosti zařízení pro nakládání s kalem čistíren splaškových vod musí být zvolená metoda dlouhodobě použitelná a pro občany i akceptovatelná
• S ohledem na zamezení možnosti šíření různých nemocí, zpřísňujícími se požadavky EU na ukládání biologicky rozložitelných materiálů na skládky a v neposlední řadě s důrazem na zpřísňující se požadavky na kal používaný v zemědělství a k rekultivacím, bude stále větší procento z produkovaných kalů nesplňovat příslušné legislativní požadavky 34
Souhrn
• V blízké budoucnosti nastane rozvoj v používání technologií na totální destrukci organické hmoty stabilizovaných kalů, které z různých důvodů nelze uplatnit v zemědělství a při rekultivacích. Sušení odvodněných kalů je nezbytnou předpravou kalů před jejich konečným odstraněním tepelnou destrukcí s výjimkou spalování pouze odvodněných kalů
• Sušení kalů navíc umožňuje diverzifikaci likvidace úsušků kalů různými metodami, takže producent usušených kalů nebude závislý pouze na jednom odběrateli. Tato „nezávislost“ je z ekonomického i technického a legislativního hlediska vítaná. Sušením kalu a následným energetickým využitím úsušků lze zvýšit procento využití energie obsažené v kalech
• Komplexní
zpracování kalů z ČOV nabízí technologie zahrnující zplyňování usušeného vyhnilého kalu.
• Lze plně pokrýt energetické potřeby nezbytných procesů a produkovat elektrickou energii s možností dosažení soběstačnosti ČOV 35
Děkujeme za pozornost! 36
