Spalování kalů
Spalování kalů Rozlišovat pojmy - Spalování (suché spalování) Klasické hoření - Mokrá oxidace (mokré spalování), Vysoký tlak a teplota, bez plamene
- Energetické využití kalů Obecnější, zahrnuje spalování i výrobu paliv (pyrolýza, zplyňování, produkce bioplynu)
Spalování kalů
Fyzikální a chemické faktory ovlivňující spalování
sušina a obsah organických látek výhřevnost termogravimetrická analýza přítomnost tuků nebo pěny
Výhřevnost: Stanovení z elementárního složení kalu: Výhřevnost (MJ/kg org.suš.) = 32,810 C + 142,246 (H – O/8) + 9,273 S kde C, H, O a S – hmotnostní zlomek daného prvku v organické sušině. Stanovení z CHSK a TKN: Výhřevnost (MJ/kg org.suš.) = 13,7 CHSK + 19,0 TKN kde CHSK i TKN jsou vyjádřeny v kg/kg org.suš. CHSK kalů se obyčejně p v rozmezí 1,5 – 1,8 kgO2/kg org.suš. TKN 0,02 – 0,09 kg/kg org.suš.
Typické hodnoty výhřevnosti kalů: Aktivovaný kal
20,7 – 24,4 MJ/kg org.suš.
Primární kal
23,3 – 27,9 MJ/kg org.suš.
Anaerobně stabilizovaný kal
22,1 – 24,4 MJ/kg org.suš.
Energetické využití kalů a odpadů Za energetické využití odpadů se spalování odpadů považuje pouze tehdy, jestliže: použitý odpad nepotřebuje po vlastním zapálení ke spalování podpůrné palivo a vznikající teplo se použije pro potřebu vlastní nebo dalších osob, nebo odpad se použije jako palivo nebo jako přídavné palivo v zařízeních na výrobu energie nebo materiálů za podmínek stanovených právními předpisy o ochraně ovzduší. "incineration" = spalování za účelem zbavení se spalovaného materiálu a "combustion" = spalování převážně za účelem využití tepelného obsahu spalovaného materiálu. Pro spalování kalů je důležité jeho složení, resp. jeho výhřevnost a spalné teplo.
Typické složení organického podílu ve splaškových kalech: Elementární analýza organického podílu kalu C H O N S Celkem
Primární kal
(%) 60,0 7,5 28,0 3,0 1,5 100
Přebytečný Směsný kal Anaer.stabil kal izovaný kal
(%) 53,0 7,0 30,5 9,0 0,5 100
(%) 57,0 7,0 30,0 5,0 1,0 100
(%) 67,0 5,0 25,0 2,2 0,8 100
Odvodněný anaerobně stabilizovaný kal
Obsah vody Obsah popelu Těkavé látky Výhřevnost Uhlík Vodík Kyslík Dusík Síra
(hm. %) (hm. %) (hm. %) kJ/kg (hm. %) (hm. %) (hm. %) (hm. %) (hm. %)
Suché Vysušený kal hnědé uhlí komunálních ČOV 11,0 – 15,0 2,0 – 10,0 4,0 20,0 – 30,0 42,0 – 44,0 20,0 – 50,0 21 200 8 000 – 12 000 56,0 – 58,8 20,0 – 30,0 4,2 – 4,3 1,5 – 5,0 20,0 – 21,0 8,0 – 16,0 0,6 – 0,7 1,0 – 5,0 0,35 1,0 – 2,0
Průměrná výhřevnost sušiny odvodněného surového kalu je cca 14,8 MJ/kg při ztrátě žíháním 64,1 %. Výhřevnost organického podílu 23,1 MJ/kg.
Pro anaerobně stabilizovaný kal ÚČOV Praha byly naměřeny tyto hodnoty: stab. odvodněný Označení vzorku sušený kal 2002 stab. kal 2002 95,3 34 sušina při 105 °C popel 48,50 55,05 vlhkost (voda) 4,7 66 hořlavina celkem 51,50 44,95 hořlavina 43,91 39,03 prchavá výhřevnost 11,88 11,67 spalné teplo 11,82 4,15
jednotka % % hm. suš. % % hm. suš. % hm. suš. MJ/kg suš. MJ/kg
Spalování kalů je možné uskutečnit v různých zařízeních: přímé spalování
speciální spalovny odvodněného (sušeného) surového, resp. stabilizovaného kalu spoluspalování
spalovny TKO teplárny a elektrárny cementárny (pro spalování usušeného kalu jsou nejvhodnější)
Spalování kalů je možné uskutečnit v různých zařízeních: Z investičního hlediska je vhodná metoda spoluspalování odvodněných kalů v teplárnách a elektrárnách. Protože se používá pouze odvodněný kal, je možný se pouze malý přídavek kalu do spalovaného uhlí. Obvykle se používá množství kalu do 5 % spotřeby uhlí, protože takto malý přídavek odvodněného kalu nesníží teplotu hoření. Pro spalování odvodněných kalů se doporučují fluidní kotle s čištěním spalin.
Pravidlo „3T“, (turbulence, temperature, time) Tento požadavek je v ČR legislativně upraven a to následujícím způsobem:
zajistí se dostatečná doba setrvání spalovaného odpadu ve spalovacím prostoru k dokonalému vyhoření, že škvára a popel po spálení odpadu obsahuje méně než 3 % celkového organického uhlíku nebo ztráta žíháním je menší než 5 % hmotnosti suchého materiálu. na nejmenší možnou míru se potlačí obtěžování zápachem. V zásobníku odpadu spaloven komunálního odpadu se trvale udržuje podtlak a odsávaný vzduch se přivádí do ohniště. plyn vznikající při procesu se za posledním přívodem spalovacího vzduchu řízeným způsobem ohřeje ve všech místech profilu toku spalin, na teplotu nejméně 850 °C po dobu nejméně 2 sekund, pokud se spaluje nebezpečný odpad s obsahem halogenovaných organických sloučenin vyšším než 1 %, odpadní plyn se ohřeje na teplotu nejméně 1100 °C po dobu nejméně 2 sekund každá linka spalovny má alespoň jeden pomocný hořák, který automaticky udržuje teplotu ve spalovací komoře za posledním přívodem spalovacího vzduchu na hodnotě 850 °C nebo 1100 °C
PRINCIP METODY SPOLUSPALOVÁNÍ KALŮ Spoluspalování čistírenských kalů především na hnědouhelných elektrárnách nebo teplárnách je ekologický a finančně výhodný způsob likvidace odvodněných kalů. Výhodnost tohoto způsobu spočívá v několika skutečnostech:
pro bezprostředně navazující proces spalování postačuje mechanické odvodnění kalu na sušinu 25 % moderní technika použitá na odsíření spalin obvykle postačuje na dodržení limitních hodnot spalin i při spoluspalování kalů meziuložení, přeprava a dávkování kalů do kotle vyžaduje instalaci pouze několika nových zařízení na elektrárně bez vynaložení neúměrně vysokých investičních nákladů náklady na odstranění zbytku po spalování kalů a z čištění spalin (energosádrovec, přebytečná voda z vápenných vypírek) se zvyšují pouze minimálně, protože zařízení je již vybudováno zvýšení personálních nákladů je pouze minimální, nárůst obsluhy je pouze na příjmu kalů
Výhoda spoluspalování kalů s kvalitnějšími palivy spočívá ve vysoké tepelné účinnosti za předpokladu, že složení spalovaných kalů je obdobné jako složení hlavního paliva - uhlí. Teplota spalování v topeništi a obvykle delší doba setrvání plynu v topeništi umožňují dosažení prakticky úplné tepelné degradace kalu při dodržení všech ekologických požadavků. Z teoretického hlediska lze použít spoluspalování kalů do cca 10 % k spalovanému hlavnímu palivu - uhlí. Obvykle se však nepřekračuje 5 % podíl.
Pro větší jednotky spaloven se vyplatí zpětné využití energie ve formě páry o parametrech (tlak 3 až 10 MPa a teplota 350 až 500°C). Páru těchto parametrů lze využívat k výrobě elektrické energie pomocí turbín. Provozní náklady cca 4600 Kč/t sušiny spalovaného usušeného kalu, 1200 Kč/t v případě odvodněného kalu. Provozní náklady zahrnují náklady na energie, chemikálie, obsluhu, odpisy a likvidaci zbytkového tuhého podílu po spalování kalů. Spaliny ze spalování kalů je nezbytné zbavit škodlivých příměsí před jejich vypuštěním do atmosféry.
Spaliny – nutnost čištění Z hlediska ochrany čistoty ovzduší hlavní důraz je kladen na emise následujících látek: • tuhé částice ( prach, popílek), suchými nebo mokrými způsoby odstraňování, limit 10 mg/Nm3
• oxid uhelnatý, nedokonalé spalování, dodatečné spalování, adsorpce
• těkavé kovy a jejich sloučeniny, těkavost klesá v řadě: Hg, As, Cd, Zn, Pb, Cu
• organické látky obyčejně vyjádřené jako TOC, těkavé produkty nedokonalého spalování,
• kyselé sloučeniny (HCl, NOx, SO2)
mokrá vypírka nebo na náplňové absorpční koloně za použití alkálií
Čištění spalin Z hlediska ochrany čistoty ovzduší hlavní důraz je kladen na emise následujících látek:
tuhé částice ( prach, popílek) oxid uhelnatý těkavé kovy a jejich sloučeniny organické látky (obyčejně vyjádřené jako TOC), těkavé produkty nedokonalého spalování
kyselé sloučeniny (HCl, NOx, SO2)
Čištění spalin Prvním úkolem je ochlazení spalin (většina těkavých látek zkondenzuje) Tuhé částice. Jejich produkce závisí na podmínkách spalování. Nejvyšší produkce z fluidních pecí. Suché nebo mokré způsoby odstraňování pod hodnotu 10 mg/Nm3 SO2 a HCl . Mokrá vypírka společná s vypíráním tuhých částic, nebo náplňové absorpční kolony za použití alkálií. U fluidních pecí možno přidávat alkálie přímo do pece (CaO, CaCO3). Limity pod 25 (50) mg/Nm3 SO2 a 5 (10) mg/Nm3 pro HCl.
Čištění spalin NOx. Jejich vznik závisí na teplotě spalování, distribuci vzduchu a obsahu dusíkatých látek ve spalovaném kalu. Hlavní mechanizmus tvorby NOx je oxidace dusíku při teplotách nad 1100°C a oxidace dusíku z organických látek. Zabránění vzniku: nižší teplota splování, vstřikování močoviny nebo amoniaku do pece. Požadovaná hodnota pod 15 mg/Nm3 Organické látky (zápach). Důsledek závady ve spalování. Odstranění – dodatečné spalování, adsorpce (aktivní uhlí, silica gel, aj.). Limit 10 mg/Nm3 Těžké kovy. Jejich emise závisí na jejich těkavosti, teplotě spalování a přítomnosti chemických látek s nimiž tvoří těkavé sloučeniny. (Cd, Zn, Pb. Cu). Těkavost klesá v řadě: Hg, As, Cd, Zn, Pb, Cu.
Čištění spalin
Velikost emisí spalovny kalů musí být v souladu s emisními limity dle direktivy 200076//EC a především legislativy platné v ČR. Limity emisí do ovzduší dle NV č.354/2002 Sb (průměrné denní hodnoty) parametr
Rozměr
Spalování odpadu
tuhé znečišťující látky celkem (TZL)
mg/m3
10
Organické látky v plynné fázi vyjádřené celkovým obsahem organického uhlíku (TOC)
mg/m3
10
Plynné sloučeniny chloru vyjádřené jako HCl
mg/m3
10
Plynné sloučeniny fluoru vyjádřené jako HF
mg/m3
1
Oxid siřičitý
mg/m3
50
Oxid dusnatý a dusičitý vyjádřené jako NO2
mg/m3
200
Riziko emisí těžkých kovů Sloučenina
Teplota varu (°C)
Sloučenina
Teplota varu (°C)
As2O3
193
MoCl5
268
BeCl2
520
NiCl2
973
Cd
767
PbBr2
918
Cd(NO3)2·4H2O
132
PbCl2
954
FeCl3
315
SeO2
317
FeCl3·6H2O
280
SnCl2
623
Hg
357
VCl4
148,5
HgBr2
322
Zn
907
HgCl
383,7
ZnBr2
650
HgCl2
304
ZnCl2
732
Likvidace popílku - surovina pro stavbu silnic - surovina pro výrobu betonu - těžba cenných surovin – P apod. - skládkování
Typy spalovacích zařízení •etážové pec •rotační pec •fluidní pec •plazmový reaktor
Etážová pec Používaná od začátku sedmdesátých, v devadesátých letech vytlačena fluidní technologií. Charakteristika: Válcovitý svislý reaktor, průměr 2-8 m; Počet etáží 4-14; Dávka kalu: 30-60 kg mokrého kalu/ m2/ h; Potřeba vzduchu: 100-120% přebytek; protiproud; Tři zóny: sušící zóna, v horní části peci, teplota plynu cca 400°C spalovací zóna, střední a dolní část peci, teplota plynu a spalovaného materiálu 850-900°C zóna popela, nejnižší část peci teplota vzduchu i popela obvykle <200°C
Etážová pec
Etážová pec Výhody: Flexibilní vzhledem ke kvalitě spalovaného materiálu a zatížení Malá spotřeba přídavného paliva. Mnoho referencí Nevýhody: Možné problémy se zápachem a emisemi z důvodu nízké teploty spalin Potřeba nadbytku vzduchu Vysoké investiční i provozní náklady (poruchovost, mnoho pohyblivých součástí) Potřeba přídavného dohořívacího hořáku Dlouhá doba potřebná k dosažení ustálených podmínek Provoz Udržovat konstantní rychlost dávkování kalu Spalovací zóna na 3-4 etáži Časté poruchy na hrablech Kontrola a řízení Teplota etáží Teplota spalin Obsah kyslíku ve spalinách Rychlost proudění vzduchu Rychlost otáčení hrablí
Rotační pec Charakteristika: Mohutný ležatý válec (sklon 2-3%) Rychlost rotace - 0,25-1,5 otáček za minutu Potřeba vzduchu - 100-200% přebytek Provoz Objem kalu v peci – pod 10% celkového objemu pece Doba zdržení 1-2 hodiny (závisí na rychlosti rotace) Rychlost prodění vzduchu 2-6 m/s, doba zdržení 1-3 s Proudění vzduchu (závisí na výhřevnosti spalovaného kalu) Protiproud pro mokrý kal (pod 30% sušiny), spalné teplo nad 3,5 MJ/kg kalu Souproud výhodný pro snížení jemných prachových částic ve splainách
Rotační pec
Rotační pec
Rotační pec Výhody Flexibilní vzhledem ke kvalitě spalovaného materiálu Možnost tavení popela Nevýhody Vysoké investiční a provozní náklady Potřeba přídavného dohořívacího hořáku Potřeba vysokého přebytku vzduchu Prašnost a úniky plynů (špatná těsnost) Nesnadná kontrola a řízení Potřeba velké plochy
Fluidní pec Vertikální kolona s fluidním pískovým ložem, fluidace vzduchem, který je vháněn přes distributor ve spodní části pece. Teplota 750°C. S přímým průtokem vzduchu, nebo recirkulační. Charakteristika Průměr lože – 3-6 m (někdy až 8m) Průměr horní části – 3,5-7,0 m (někdy až 10 m) Výška - 6-10 m Rychlost dávkování – 150-300 kg/m2/h Přebytek vzduchu – 40-60% Ztráty tepla – 4% z vyvinutého tepla Expanze lože – 2-3 násobek klidového objemu Rychlost vzduchu v loži – 1,0-1,4 m/s Rychlost v horní části – 0,7-1,1 m/s Teplota lože – 750°C Teplota v horní části – 850°C Tlak u dna – 120-130 kPa
Fluidní kotle Fluidní lože je tvořeno křemičitým pískem. Udržení expanze pískového lože je proudem vháněného vzduchu. Do fluidního lože písku je čerpán odvodněný kal, který se zde suší v důsledku vysoké teploty písku a rovněž se dezintegruje působením turbulence pískového lože. Dále zde dochází k uvolnění těkavých látek, které rychle dosahují zápalné teploty a hoří. Postupně tak dochází k pyrolýze usušeného kalu a tím i k spálení celého organického podílu kalu. Lehčí anorganický podíl odchází ve spalinách, zatímco případný těžší podíl a větší, nespalitelné inertní kusy propadají skrz fluidní pískové lože a jsou odstraňovány ze dna kotle spalovny.
Fluidní pec
Fluidní pec Výhody Snadné řízení provozu a vysoká adaptabilita vůči kvalitě spalovaného kalu a způsobu provozu. Odolnost vůči šokovému zatížení a změnám obsahu sušiny kalu možnost spalování i zasolených kalů. Vysoká účinnost spalování, velká tepelná kapacita a homogenní teplota lože pískového fluidního lože. Inertní popel a minimální připékání popela méně problémů s emisemi, nízká tvorba NOx a těkavých sloučenin kovů Nízká teplota spalování, minimální množství přídavného paliva Malá potřeba plochy Vysoká spolehlivost Nevýhody Nebezpečí spékání popela a písku v případě přítomnosti solí s nízkým bodem tání.
Fluidní pec Provoz Může být provozována i diskontinuálně Musí se pečlivě dodržovat rychlost vzduchu ve fluidním loži. Vysoká rychlost – větší vynášení tuhých částic, nebezpečí nedostatečného spálení těkavých látek Zrnitost písku – 0,1-1,0 mm
Fluidní pec 6 Výstup směrem k výměníku tepla
5 4 2
Vsup kalu a paliva 3 1
2
Vstup přehřátého vzduchu
1 - vstupní zóna pro vzduch; 2 – systém ocelových trysek; 3 - fluidní lože, teplota 750 do 900°C; 4 - spalovací komora; 5 - popílek se spalinami do výměníku tepla – 6.
Fluidní spalovna Pyrofluid Proces Pyrofluid je vhodný pro kaly z městských i průmyslových čistíren odpadních vod. Proces je ekonomický zejména pro větší čistírny odpadních vod s kapacitou většinou nad 100 000 EO. Základní charakteristiky procesu : Kal je veden do minerálního lože udržovaném ve fluidním stavu při teplotě okolo 500 °C. Lože je tvořeno křemičitým pískem. Organický materiál v kontaktu s horkým ložem podléhá okamžitému zpopelnění. Spaliny z procesu spalování jsou vedeny do horní části pece, kde zůstávají po dobu delší než 2s v zóně s teplotou nad 850 °C. Pak se chladí a čistí. Teplo z chlazení spalin ohřívá vzduch udržující fluidní stav. Ochlazené spaliny mohou být čištěny mokrou nebo suchou metodou. Popel ze spalování je odebírán v dolní části pece.
Fluidní spalovna Pyrofluid Produkt výzkumu skupiny Veolia
Fluidní spalovna Pyrofluid Účinky procesu: V procesu dochází k úplnému spálení organického podílu, který je v kalu obsažen. Těžké kovy, které kaly obecně obsahují, jsou ze spalin odstraněny při procesu jejich čištění. Zisk tepla z procesu chlazení spalin je okolo 70 %. Procesy spalování odpovídají požadavkům evropských direktiv, především směrnice č. 2000/76/EC. Složení spalin odpovídá požadavkům směrnice 2000/76/EC ze dne 4. prosince 2000. Reference technologie Pyrofluid Po celé Evropě je instalováno více než 20 zařízení.
Plazmová pec (reaktor) Princip - ionizovaný plyn vznikající při teplotách nad 4000°C zajistí rozštěpení molekulární struktury kalu a vytvoření elementárních sloučenin. Spalování vedeno spíše jako vysokoteplotní pyrolýza. Produkty: - syntézní plyn - vitrifikovaná struska
Schématické znázorně ění plazmového reaktoru Upravený plyn Odpad + katalyzátor + tavidlo
SEKCE VKLÁDÁNÍ ODPADU
SEKCE KATALYZÁTORU Elektřina SEKCE PLAZMOVÝCH HOŘÁKŮ
Plazmové hořáky
SEKCE VYPOUŠTĚNÍ STRUSKY Vitrifikovaná struska
OBECNÉ SCHÉMA PROCESU PGV
SUROVINY Snížení objemu
Zplyňování
Čištění plynu
Sušení Slisování PŘÍSADY KATALYZÁTOR TAVIDLO
SYNT. PL.
VÝMĚNÍK TEPLA
PLAZMOVÝ REAKTOR
VZDUCH A KYSLÍK
ČIŠTĚNÍ PLYNU
ELEKTŘINA
STRUSKA
SYNT. PLYN K POUŽITÍ JAKO PALIVO
GRANULÁT
PGV = plasma gasification and vitrification
Popis technologie spalovny komunálních odpadů Termizo a.s. Liberec Liberecká spalovna komunálních odpadů Termizo a.s. (TVO) byla postavena s použitím švýcarské technologie firmy Von Roll. Hlavním českým partnerem byla Škoda TS Plzeň. Jedná se o technologii energetického využívání odpadu s účinnou kogenerační výrobou tepla a elektrické energie pro vlastní, ale především pro veřejné energetické sítě.
H avarijn í k om ín H avarijn í k om ín
B lo kové sché m a spalov ny T erm izo a.s. B lo kové sché m a spalov ny T erm izo a.s. NH 3
NH 3 V ý roba p áry V ý roba p áry
O dp ad O dp ad
S palo vání Parní kotel S palo vání R ed u kce NParní O x kotel R ed u kce N O x
B unkr B unkr pop elovin pop elovin
V oda N aO H V oda N aO H
E lektrofiltr E lektrofiltr
O dv od něn í O dv od pněn op íílku p op ílku
K atalytický K atalytický filtr filtr
N eu tralizace N eu tralizace C a(O H ) 2 C a(O H ) 2
M ag netická M ag netická separace separace Produ kt Produpro kt pro reku ltivac i reku ltivac i
V oda V oda
Dohořívací kom ora Bunkr odpadu
Q u enc h Ab sorp ce R ing jet Q u enc h H F Ab sorp ce R ingAjet H Cl, SO2 eros oly H Cl, H F SO2 A eros oly
Praní Praní pop ílku pop ílku
Pračka spa lin Pračka spa lin
Srážen í Srážen í
Sed im entace Sed im entace
N a2S N a 2 S F eC l3 F eC l3 V oda V oda
Ž elez ný Ž elezšný rot š rot
Výroba páry
V oda V oda
F iltrace F iltrace K o láč K o láčtěžký ch těžkýko chvů ko vů
Elektrofiltr
Topeniště
Bunkr popelovin
Spalovna ČOV Jihlava
Č ištění popílku a vod
Turbogenerátor
Pračka spalin
Pro vozní Pro vozní k om ín k om ín
O dp ad ní O dp ad nív od a v od a
Spalovna ČOV Jihlava Rok uvedení do provozu: Modernizace spalovny: Druhy odpadů: Kapacita zařízení [t/rok]: Odpad spálený v roce 2008[t/rok]: Počet spalovacích linek:
2007 kaly z ČOV 2520 t/rok 0 1
Popis spalovací linky:
linka termické degradace kalů – PS 80
Čištění kouřových plynů:
technologie NEUTREC s následným třístupňovým systémem čištění spalin typu PCDD/F s využitím adsorpčních účinků aktivního uhlí
Poznámka:
V roce 2008 byla spalovna dočasně MIMO PROVOZ, provoz byl zahájen v květnu 2009.
Co je „energetické využívání kalů“? „Nositelem“ energie v kalech jsou přítomné organické látky v sušině kalu a energii z nich lze uvolnit jejich oxidací. Cílem „energetického využívání kalů“ je získání a využití této energie. Hlavním problémem využití energie z kalů přímou oxidací organických látek je nízká koncentrace sušiny, která sice postačuje pro „mokré“ spalování (mokrou oxidaci), ale pro „suché“ spalování musí být sušina kalu zvýšena minimálně nad 30 % v závislosti na podílu organických látek. Lze pokládat anaerobní stabilizaci kalů jakožto biotechnologickou metodu transformace organických látek z kalů do energeticky bohatého bioplynu za „energetického využívání kalů“ ?
Anaerobie versus spalování V současné době již nejde jenom o to, kolik energie a jakou účinností se vytěží ze zpracovávaného materiálu, ale jde především o to, v jaké formě tuto energii získáme. Obě technologie, anaerobní stabilizace i spalování dovedou vyrábět tepelnou i elektrickou energii, ale s rozdílnou účinností a pouze anaerobní stabilizací se dá vyrobit bioplyn nebo biovodík. Pokud jsou možnosti pro zemědělské využití stabilizovaného kalu nebo cílem je maximální získání energie z kalu, pak má jednoznačnou prioritu anaerobní stabilizace, nejlépe termofilní. V opačném případě přichází v úvahu některý ze způsobů spalování (spalování v cementárenské peci, mokré spalování, suché spalování apod.).
Bilance energie -výchozí podklady Celkové množství sušiny kalu Obsah organických látek v sušině SSK Sušina (koncentrace) SSK Teplota surového kalu Teplota fermentace Specifická produkce bioplynu 1 kg VLorg - výhřevnost 1 Nm3 bioplynu - výhřevnost z 1 Nm3 BP se vyrobí: elektrické energie tepelné energie Stupeň odvodnění surového kalu Účinnost využití energie při spalování SSK
1000 kg VL (sušiny) 68 % VLorg 7 % VL (sušiny) 10 °C 55 °C 0,65 Nm3/kg VLorg přiv. 23 MJ/kg VLorg 23,5 MJ/Nm3 6,528 kWh/Nm3 2,2 kWh el/Nm3 BP 3,54 kWh tep/Nm3 BP 35 % suš 85 %
Výchozí podklady jsou založeny na výsledcích a zkušenostech získaných při intenzifikaci kalového hospodářství na ÚČOV Praha. V současné době je zpracování kalů na ÚČOV Praha založeno na zahušťování přebytečného aktivovaného kalu lyzátovacími zahušťovacími centrifugami a termofilní anaerobní stabilizaci.
Spalování Při spalování se energie uvolňuje ve formě tepla spalin (které se musí ještě čistit) a záleží na technologickém uspořádání, jakou účinností je tato energie převedena na páru, potažmo na elektrickou energii. Při každém převodu energie z jedné formy na druhou dochází k významným ztrátám. Kalový koláč obsahuje ještě velké množství vody, účinnost využití celkové energie z kalu závisí na stupni odvodnění. Téměř polovina energie z kalu se spotřebuje na odpaření vody. Energie páry je využita v parní turbíně k výrobě elektrické energie a tepla v poměru cca 25 % elektrické a 75 % tepelné energie. Z celkové energie kalu se na elektrickou energii promění 11,5%, tj cca 0,5 kWhel/kg sušiny surového směsného kalu.
Energetická výtěžnost spalování surového směsného kalu vztaženo na 1000 kg sušiny SSK
SSK 1000 kg suš. 68 % ZŽ KALOVÝ KOLÁČ 7% suš. 35% sušiny 1857 kg vody
CELKOVÁ ENERGIE 4,34 MWh
4,34 MWh
EL.ENERG. 0,5 MWhe, 11,4%
TEP.ENERGIE,
1,99 MWh 45,8%
TEP.ENERGIE, 1,49 MWhtep 34,4%
ENERGIE NA VYSUŠENÍ 1,7 MWh 39,2% ZTRÁTY 0,65 MWh, 15%
ČISTÁ PRODUKCE ENERGIE ZE 1000 kg suš. 7,16 GJ, ÚČINNOST VYUŽITÍ CELKOVÉ VSTUPNÍ ENERGIE
2,0 MWh 45,8%
Anaerobní stabilizace Předností anaerobní stabilizace kalů je, že biotechnologicky, transformuje biologicky rozložitelné organické látky na „čistou“ energii – bioplyn (65-70 % CH4, 30-35 % CO2). Anaerobní stabilizace může zpracovávat substráty s vysokým obsahem vody, kdy spalování je neekonomické. Bioplyn patří mezi obnovitelné zdroje energie a má široké možnostmi využití. je skladovatelný a transportovatelný je použitelný k pohonu vozidel, je použitelný k výrobě elektrické energie a tepla, Anaerobní stabilizací dochází ke snížení celkového množství sušiny kalu oproti surovému o 35 až 40 %. Stabilizovaný kal je lépe odvodnitelný než surový, je využitelný v zemědělství buď přímo nebo po kompostování. Může být úspěšně spalován jako přídavné palivo v teplárně, resp. elektrárně, nebo po vysušení v cementárně.
Energetická výtěžnost anaerobní termofilní stabilizace + spalování stabilizovaného kalu vztaženo na 1000 kg sušiny SSK ZTRÁTY, 0,35 MWh, 8,0%
SSK 1000 kg suš. 68 % ZŽ 7% suš. CELKOVÁ ENERGIE 4,34 MWh
EL. ENERGIE 0,97 MWhel 22,3%
BIOPLYN 2,89 MWh 66,4%
KALOVÝ KOLÁČ 40% sušiny
1,40 MWh 32,3%
0,82 MWhtep 18,1%
TEPELNÁ ENERGIE 1,56 MWh 36,2%
NA PROVOZ 0,75 MWhtep 17,2%
TEP.ENERGIE, 0,41MWh, 9,4% ENERGIE NA VYSUŠENÍ 0,74 MWh 17,8% ZTRÁTY, 0,25 MWh 5,8%
ČISTÁ PRODUKCE ENERGIE ZE 1000 kg suš. 7,91 GJ, ÚČINNOST VYUŽITÍ CELKOVÉ VSTUPNÍ ENERGIE
Ztráty a výtěžky energie
Anaerobní termofilní stabilizace + spalování stabil. kalu
2,2 MWh 50,6%
Samostatné spalování SSK
MWh
% celkové energie v kalu
MWh
% celkové energie v kalu
Ztráty celkem
0,97 1,23 2,15
22,38 28,21 49,41
0,50 1,49 2,35
11,45 34,36 54,19
Ztráty v anaerobii
0,06
1,30
0
0
Potřeba tepla na ohřev vstupujícího SSK
0,75
17,21
0
0
(1000 kg suš. SSK)
Vyrobená elektrická energie Využitelná tepelná energie
Ztráty při kogeneraci
0,35
8,01
0
0
Energie nutná na vysušení koláče
0,74
17,08
1,70
39,19
Ztráty při spalování kalu
0,25
5,81
0,65
15,00
Ztráty a výtěžky energie ( 1000 kg suš. SSK)
Anaerobní termofilní stabilizace + spalování stabil. kalu
Anaerobní termofilní stabilizace
% % MWh celkové MWh celkové
Samostatné spalování SSK % MWh celkové
energie
energie
energie
Ztráty celkem
0,97 22,38 0,97 0,82 18,81 1,23 2,56 58,81 2,15
22,38 28,21 49,41
0,50 11,45 1,49 34,36 2,35 54,19
Potřeba tepla na ohřev SSK
0,75
17,21
0,75
17,21
0
0
ztráty v anaerobii
0,06
1,31
0,06
1,30
0
0
ztráty při kogeneraci
0,35
8,01
0,35
8,01
0
0
energie zbývající v sušině kalu
1,40
32,28
0
0
0
0
ztráty při spalování
0
0
0,25
5,81
0,65
15,00
energie na vysušení koláče
0
0
0,74
17,08
1,70
39,19
Vyrobená elektrická energie Využitelná tepelná energie
Anaerobní termofilní stabilizace
Anaerobní termofilní stabilizace + spalování stabil. kalu
Samostatné spalování SSK
% celkové energie
% celkové energie
% celkové energie
Využitelná tepelná energie
22,38 18,81
22,38 28,21
11,45 34,36
Ztráty celkem
58,81
49,41
54,19
Potřeba tepla na ohřev SSK
17,21
17,21
0
ztráty v anaerobii
1,31
1,30
0
ztráty při kogeneraci
8,01
8,01
0
energie zbývající v sušině kalu
32,28
0
0
ztráty při spalování
0
5,81
15,00
energie nutná na vysušení koláče
0
17,08
39,19
Ztráty a výtěžky energie ( 1000 kg suš. SSK) Vyrobená elektrická energie
Souhrn Pod pojem „energetické využívání kalů“ je nutno zařadit také anaerobní stabilizaci kalů. Anaerobní stabilizací s předúpravou kalu lze převést 66 až 82 % energie z kalu do bioplynu. Zpracováním bioplynu kogenerací lze dosáhnout výtěžnosti elektrické energie 0,9 až 1,23 kWhel na kg sušiny surového kalu. Při přímém spalování surového kalu se dosahuje výtěžnosti elektrické energie pouze 0,5 kWhel/kg suš. Nejvhodnějším způsobem zpracování kalu a maximálního využití jeho energie se jeví termofilní anaerobní stabilizace s předúpravou kalu a s využitím bioplynu na kogenerační výrobu elektrické a tepelné energie. Stabilizovaný kal po vysušení lze spalovat, optimálně v cementárně.
