VLIV REAKČNÍCH PODMÍNEK NA FLUIDNÍ SPALOVÁNÍ MOKRÝCH STABILIZOVANÝCH ČISTÍRENSKÝCH KALŮ

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "VLIV REAKČNÍCH PODMÍNEK NA FLUIDNÍ SPALOVÁNÍ MOKRÝCH STABILIZOVANÝCH ČISTÍRENSKÝCH KALŮ"

Ivana Žáková
před 7 lety
Počet zobrazení:

1 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 NO x a N 2 O. 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 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 hm. % vody, v závislosti na vstupním složení odpadních vod a způsobu stabilizace a odvodnění. Spalovaný kal obsahoval 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 C po dobu 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, pohorely@icpf.cas.cz /79/

2 Tab. 1 Fyzikální (materiálové) vlastnosti SČK a FV FV - keramzit Palivo - SČK (sušina) Frakce (mm) 0,71 1,00 0,25 0,50 U mf (cm/s) [20 C, 101,325 kpa] Sypná hustota (g/l) Zdánlivá hustota (g/l) Skutečná hustota (g/l) Pórovitost částice (%) 32,83 47,08 Mezerovitost vrstvy (%) 50,40 58,66 Tab. 2 Chemické složení paliva: veškeré hodnoty jsou uvedeny v hm. % a přepočítané na sušinu, Q s a Q i v MJ/kg. Experimentální podmínky Hořlavina 55,24 Prchavá hořlavina 47,90 Neprchavá hořlavina 7,34 A - popel 44,76 C 27,07 H 4,45 N 3,67 S 1,17 Cl 0,06 P 2,62 O 16,19 Spalné teplo - Q s 11,71 Výhřevnost - Q i 10,71 EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST Cílem práce bylo proměřit vliv přebytku vzduchu a teploty fluidní vrstvy (T fv ) a v prostoru nad ní tj. teploty freeboardu (T fb ) na emise N 2 O a NO x. Taktéž bylo sledováno rozdělení těžkých kovů (TK). Lineární rychlost v reaktoru se pohybovala v rozmezí 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/

3 Obr. 1 Měřící trať /81/

4 VÝSLEDKY 700 obj. koncentrace N 2 O a NO x (ppm) ,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0 obj. koncentrace O 2 (obj. %) N2O NOx Obr. 2 Vliv přebytku O 2 na emise N 2 O a NO x - T fv byla C, T fb byla C. Výsledky ukazují překvapivou závislost sledovaných sloučenin na koncentraci O 2. Při spalování velmi mokrých SČK (W = hm. %), koncentrace NO x 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 N 2 O jsou však vysoké a vykazují maximum při cca 8 obj. % O 2 ve spalinách suchých skutečných (S SS ) [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 ( 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/

5 600 obj. koncentrace N 2 O a NO x (ppm) T fv ( o C) N2O NOx Obr. 3 Vliv T fv a T fb na emise N 2 O a NO x - veškeré hodnoty v níže uvedeném grafu byly přepočítány na 11 obj. % O 2 v S SS (měřené hodnoty 10,5 11,5), T fb byla C. Vliv teploty fluidní vrstvy na emise NO x a N 2 O je výrazně slabší než vliv přebytku vzduchu (Obr. 2 a Obr. 3). Nad teplotou 850 C se vliv T fv prakticky vytrácí u NO x a zeslabuje u N 2 O, 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, HgCl 2 apod.). V popelu se Cl vyskytuje ve formě chloridů (CaCl 2, MgCl 2, apod.). Arsen se dominantně váže ve vrstvě ve formě Ca(AsO 3 ) 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 NO x klesaly s rostoucím přebytkem vzduchu a slabě stoupaly s teplotou ve vrstvě. Koncentrace N 2 O 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/

6 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] United States Patent, P. number 5,234,468. [2] Werner J., Ogada T.: Sewage sludge combustion. Progress in Energy and Combustion science 25, (1999). [3] Hartman M., Svoboda K., Pohořelý M., Trnka O.: Combustion of Dried Sewage Sludge in a Fluidized-Bed Reactor. Ind. Eng. Chem. Res. 44(10), (2005). [4] Gutirrez M., Svoboda K., Barter D., Hunter C.: Nitrous oxide (N 2 O) emissions waste and biomass to energy plants. Waste Management & Research 22, 1-15 (2005). [5] 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, May 2005 /84/

Podobné dokumenty

Vliv parciálního tlaku kyslíku ve spalovacím médiu na účinnost, emise a distribuci těžkých kovů při fluidním spalování kukuřičné slámy

Vliv parciálního tlaku kyslíku ve spalovacím médiu na účinnost, emise a distribuci těžkých kovů při fluidním spalování kukuřičné slámy Tomáš DURDA 1,2, Michael POHOŘELÝ 1,2, Michal ŠYC 1, Karel SVOBODA