Energie z biomasy IV – odborný seminář
Brno 2005
VLIV REAKČNÍCH PODMÍNEK NA FLUIDNÍ SPALOVÁNÍ MOKRÝCH STABILIZOVANÝCH ČISTÍRENSKÝCH KALŮ Michael Pohořelý, Karel Svoboda, Petra Hejdová, Martin Vosecký, Otakar Trnka a Miloslav Hartman Stabilizované čistírenské kaly obsahují více než 45 % organických komponent v sušině, což by podle legislativy EU mělo v budoucnu znemožnit skládkování. Termická likvidace je jeden z logických způsobů využití energetického potenciálu kalu. Práce se v první části zabývá popisem materiálových vlastností kalu s ohledem na fluidní spalování. Těžiště leží v proměření vlivu teploty fluidní vrstvy a teploty nad ní (freeboardu) na emise NOx a N2O. Klíčová slova: fluidní spalování, stabilizovaný čistírenský kal ÚVOD Stabilizovaný čistírenský kal je hnědo-černá, hygienicky nezávadná, avšak zapáchající, více či méně koncentrovaná vodná suspenze tvořená částicemi látek jak organického, tak anorganického původu. Čistírny odpadních vod v ČR vyprodukují více než 200 000 t sušiny kalů za rok. Způsob nakládání v ČR: • • • • • •
skládkování kompostování přímé použití na zemědělské půdě přímé použití na povrch terénu zpracování do rekultivačních materiálů termická likvidace (spalování).
Spalování stabilizovaných čistírenských kalů (SČK): • • •
suché (nákladný proces sušení, jak z hlediska zařízení (sušárna), tak i vysoké provozní náklady) předsušené odpadním teplem na více než 55 % sušiny (možnost autarkního spalování, obtížný transport do fluidního kotle) spolu-spalování strojově odvodněných kalů, např. s hnědým uhlím. CHARAKTERISTIKA SČK
SČK mechanicky a strojově odvodněné obsahují 60 – 80 hm. % vody, v závislosti na vstupním složení odpadních vod a způsobu stabilizace a odvodnění. Spalovaný kal obsahoval 64 – 66 hm. % vody, což reprezentuje SČK po termické stabilizaci a odvodnění dekantační odstředivkou. Jako materiál FV byl zvolen keramzit (vypálené jílové nadloží uhelných vrstev), který byl rozemlet a vypálen při 850 °C a roztříděn sítováním. SČK byl připraven z předsušeného brněnského kalu (W = 4 – 6 hm. %), rozemletím a rozsítováním. Takto připravený kal o námi požadované frakci byl navlhčen a vložen do sušárny v nerezové nádobě a podroben termickému zahuštění při teplotách 150 – 200 °C po dobu 10 – 20 min. v závislosti na množství sušiny. Po ochladnutí na 50 °C jsme přidali škrob v optimálním poměru, aby došlo ke ztekucení kalu [1].
Ing. Michael Pohořelý, ÚChP AV ČR, Rozvojová 135, Praha 6 – Suchdol,
[email protected]
/79/
Energie z biomasy IV – odborný seminář
Brno 2005
Tab. 1 Fyzikální (materiálové) vlastnosti SČK a FV FV - keramzit 0,71 – 1,00 34 749 1510 2248 32,83 50,40
Frakce (mm) Umf (cm/s) [20 °C, 101,325 kPa] Sypná hustota (g/l) Zdánlivá hustota (g/l) Skutečná hustota (g/l) Pórovitost částice (%) Mezerovitost vrstvy (%)
Palivo - SČK (sušina) 0,25 – 0,50 15 475 1149 2171 47,08 58,66
Tab. 2 Chemické složení paliva: veškeré hodnoty jsou uvedeny v hm. % a přepočítané na sušinu, Qs a Qi v MJ/kg. Hořlavina Prchavá hořlavina Neprchavá hořlavina A - popel C H N S Cl P O Spalné teplo - Qs Výhřevnost - Qi
55,24 47,90 7,34 44,76 27,07 4,45 3,67 1,17 0,06 2,62 16,19 11,71 10,71
EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST Experimentální podmínky Cílem práce bylo proměřit vliv přebytku vzduchu a teploty fluidní vrstvy (Tfv) a v prostoru nad ní – tj. teploty freeboardu (Tfb) na emise N2O a NOx. Taktéž bylo sledováno rozdělení těžkých kovů (TK). Lineární rychlost v reaktoru se pohybovala v rozmezí 70 – 77 cm/s. Průměrná rychlost dávkování byla 1,6 kg/h. Fluidní režim byl turbulentní. Popis a snímek atmosférického fluidního generátoru • • • • •
Laboratorní reaktor s bublinovou fluidní vrstvou. Tělesem reaktoru je trubka o výšce 1300 mm s vnitřním průměrem 93,6 mm (17 251). Dávkování paliva: šnekové čerpadlo (kontinuální dávkování), na které navazuje přídavný diskontinuální pneumotransport (dva rázy N2 za 1 s). Měření průtoku fluidačního (spalovacího) vzduchu a plynu pro pneumotransport je uskutečňováno pomocí El-flow regulátorů (hmotnostních průtokoměrů). Ohřev aparatury je uskutečňován pomocí čtyř dvojic polo-cylindrických elektrických elementů.
/80/
Energie z biomasy IV – odborný seminář
Brno 2005
Obr. 1 Měřící trať
/81/
Energie z biomasy IV – odborný seminář
Brno 2005
VÝSLEDKY
obj. koncentrace N2O a NOx (ppm)
700 600 500 400 300 200 100 0 0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
obj. koncentrace O2 (obj. %)
10,0
12,0
14,0
N2O
16,0
18,0
NOx
Obr. 2 Vliv přebytku O2 na emise N2O a NOx - Tfv byla 840 – 850 °C, Tfb byla 895 – 905 °C. Výsledky ukazují překvapivou závislost sledovaných sloučenin na koncentraci O2. Při spalování velmi mokrých SČK (W = 64 – 66 hm. %), koncentrace NOx klesá s rostoucím přebytkem vzduchu [2]. Jejich absolutní hodnota je 3 x menší než při spalování suchých SČK [3]. Tento jev je vysvětlován velkým parciálním tlakem vodní páry. Objemové koncentrace N2O jsou však vysoké a vykazují maximum při cca 8 obj. % O2 ve spalinách suchých skutečných (SSS) [4]. Výsledky prokazují shodu trendů s citovanou literaturou, hodnoty koncentrací jsou však o 50 % nižší, což je zapříčiněno jinými provozními podmínkami a složením SČK. Nízké emise CO (50 – 150 ppm) prokázaly dobře navržené spalovací (oxidační) podmínky, což potvrzuje i velmi nízký nedopal v cyklónovém popílku (0,5 – 1,5 hm.%). Vzhledem k přetlaku v reaktoru a kolísavému výkonu čerpadla docházelo ke krátkodobému navýšení koncentrace CO, což však nemělo na celkovou kvalitu spalování vliv. Tlaková diference se brzy ustálila a ostatní sledované majoritní složky vykázaly přijatelný rozptyl (Obr. 2, 3).
/82/
Energie z biomasy IV – odborný seminář
Brno 2005
obj. koncentrace N2O a NOx (ppm)
600
500
400
300
200
100
0 680
700
720
740
760
o
Tfv ( C)
780
N2O
800
820
840
NOx
Obr. 3 Vliv Tfv a Tfb na emise N2O a NOx - veškeré hodnoty v níže uvedeném grafu byly přepočítány na 11 obj. % O2 v SSS (měřené hodnoty 10,5 – 11,5), Tfb byla 895 – 905 °C. Vliv teploty fluidní vrstvy na emise NOx a N2O je výrazně slabší než vliv přebytku vzduchu (Obr. 2 a Obr. 3). Nad teplotou 850 °C se vliv Tfv prakticky vytrácí u NOx a zeslabuje u N2O, což bylo sledováno i u spalovaní suchých SČK [5]. Vliv teploty nad vrstvou byl prakticky zanedbatelný, což taktéž ukazuje na dobře navržený režim fluidní vrstvy pro spalování. Po vyjmutí fluidní vrstvy v ní nebyly nalezeny žádné aglomeráty. Rozdělení TK mezi fluidní vrstvou a horkým cyklónem Rozdělení popelotvorných a stopových prvků mezi hrubým popelem ve vrstvě a jemným popílkem v horkém cyklónu je rovnoměrné s výjimkou těkavých kovů (Hg, Cd, Pb, As) a Cl. Většina Cl odchází ve formě chlorovodíku, či ve formě chloridů (HgCl, HgCl2 apod.). V popelu se Cl vyskytuje ve formě chloridů (CaCl2, MgCl2, apod.). Arsen se dominantně váže ve vrstvě ve formě Ca(AsO3)2. Rovnoměrnost rozložení prakticky všech sledovaných prvků je zapříčiněna rovnováhou mezi lineární rychlostí v reaktoru, velikostí částic paliva a koncentrací kyslíku a taktéž chlóru ve spalinách. ZÁVĚR Měřené koncentrace NOx klesaly s rostoucím přebytkem vzduchu a slabě stoupaly s teplotou ve vrstvě. Koncentrace N2O dosahovaly maxima mezi 7 – 9 obj.% kyslíku v suchých spalinách a mírně stoupaly s teplotou ve vrstvě. Nízký nedopal a nízké koncentrace CO ve spalinách prokázaly vhodně navržený režim fluidní vrstvy pro spalování.
/83/
Energie z biomasy IV – odborný seminář
Brno 2005
Výše uvedené pokusy prokázaly možnost spolu-spalovat mokré SČK bez nutnosti zdokonalovat čištění spalin v moderních fluidních generátorech v ČR. Množství, které by bylo možno takto likvidovat, je omezeno zejména výhřevností SČK a množstvím těžkých kovů v popelovinách. POUŽITÁ LITERATURA [1] [2] [3] [4] [5]
United States Patent, P. number 5,234,468. Werner J., Ogada T.: Sewage sludge combustion. Progress in Energy and Combustion science 25, 55-116 (1999). Hartman M., Svoboda K., Pohořelý M., Trnka O.: Combustion of Dried Sewage Sludge in a Fluidized-Bed Reactor. Ind. Eng. Chem. Res. 44(10), 3432-3441 (2005). Gutirrez M., Svoboda K., Barter D., Hunter C.: Nitrous oxide (N2O) emissions waste and biomass to energy plants. Waste Management & Research 22, 1-15 (2005). Pohořelý M., Svoboda K., Trnka O., Hartman M.: Gaseous Emissions from the Fluidized-bed Incineration of Sewage Sludge. 32nd International Conference of Slovak Society of Chemical Engineering, Proceedings, p. 82, Tatranské Matliare, Slovakia, 23-27 May 2005
/84/
