BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV PROCESNÍHO A EKOLOGICKÉHO INŽENÝRSTVÍ

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV PROCESNÍHO A EKOLOGICKÉHO INŽENÝRSTVÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT OF PROCESS AND ENVIRONMENTAL ENGINEERING METODY TERMICKÉHO ZNEŠKODNĚNÍ ČISTÍRENSKÝCH KALŮ METHODS OF SEWAGE SLUDGE THERMAL TREATMENT DIPLOMOVÁ PRÁCE DIPLOMA THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR LENKA ROSENDORFOVÁ VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR ING. LUCIE HOUDKOVÁ BRNO 008

ABSTRAKT První část této diplomové práce se zabývá vytvořením přeledu metod termickéo zneškodnění čistírenskýc kalů. Čistírenský kal je rizikovým materiálem, který vzniká při procesu čištění odpadníc vod. Je v něm silně zkoncentrováno znečištění z původní odpadní vody. Škála různýc metod konečnéo zneškodnění kalů je velmi široká, termické metody patří k těm v současnosti nejperspektivnějším. V dnešní době, kdy se legislativní předpisy a nařízení pro čištění odpadníc vod stále zpřísňují, je nakládání s kalem problematické nejen z lediska ekologickéo, ale i ekonomickéo. Druá část diplomové práce se zabývá výledovým ospodařením s kaly na Ústřední čistírně odpadníc vod Praa, a to variantou sušení a následnéo spalování směsnéo surovéo kalu. Klíčová slova: čistírna odpadníc vod, čistírenský kal, sušení kalu, spalování kalu ABSTRACT Te first part of tis diploma tesis targets in te formation of summary of metods of sewage sludge termal treatment. Sludge is dangerous material rising from water treatment. Original water pollution is concentrated in sludge. Spectrum of te different metods of sludge disposal is very vast, termal metods belong to te most advanced ones. Nowadays, legislative rules and regulations make more restrictive, ence sludge disposal is problematic because of economic and ecological view of point. Te second part of tis diploma tesis is dealt wit perspective sludge management at te Central Waste Water Treatment Plant Prague concerning sludge drying and consequent sludge incineration. Key words: waste water treatment plant, sewage sludge, sludge drying, sludge incineration 3

BIBLIOGRAFICKÁ CITACE PRÁCE ROSENDORFOVÁ, L. Metody termickéo zneškodnění čistírenskýc kalů. Brno: Vysoké učení tecnické v Brně, Fakulta strojnío inženýrství, 008. 70 s. Vedoucí diplomové práce Ing. Lucie Houdková. PROHLÁŠENÍ O PŮVODNOSTI Prolašuji, že jsem tuto diplomovou práci vypracovala samostatně za pomoci literatury, kterou uvádím v seznamu.... PODĚKOVÁNÍ Na tomto místě byc ráda poděkovala za cenné rady vedoucí mé diplomové práce, Ing. Lucii Houdkové, všem vyučujícím a konzultantům a v neposlední řadě také mým rodičům za podporu běem studia. 4

OBSAH 1 Úvod...7 Produkce kalu z čištění odpadníc vod...8.1 Legislativní stav...8. Čistírny odpadníc vod...8..1 Skladba čistírny odpadníc vod...9.3 Úprava čistírenskýc kalů...11.3.1 Zaušťování kalu...11.3. Stabilizace kalu...1.3.3 Odvodňování kalu...13.3.4 Hygienizace kalu...15 3 Současné způsoby nakládání s kalem...16 3.1 Kompostování a využití kalů v zemědělství...16 3. Skládkování kalů...17 3.3 Termické způsoby nakládání s kalem...17 3.3.1 Oxidační procesy...17 3.3. Redukční procesy...18 3.3.3 Spalování kalů v elektrárnác...18 3.3.4 Spalování kalů v cementářskýc pecíc...18 3.3.5 Spalování kalů ve spalovnác odpadů...19 4 Sušení kalu...0 4.1 Teorie sušení...0 4. Konvekční (přímé) sušení...1 4..1 Bubnová sušárna...1 4.. Pásová sušárna... 4..3 Šneková sušárna...3 4..4 Fluidní sušárna...4 4.3 Kontaktní (nepřímé) sušení...5 4.3.1 Disková sušárna...5 4.3. Tenkovrstvá sušárna...5 4.4 Sálavé sušení...6 4.4.1 Solární sušárna...6 5 Spalování...7 5.1 Teorie spalování...7 5.1.1 Adiabatická spalná teplota...8 5

5.1. Teoretická spalná teplota...8 5.1.3 Praktická spalná teplota...8 5.1.4 Spalné teplo a výřevnost...9 5.1.5 Ztráta žíáním...9 5. Spalovny...9 5..1 Roštová spalovna...30 5.. Etážová spalovna...31 5..3 Rotační bubnová spalovna...3 5..4 Fluidní spalovna...33 6 Bilance sušení a spalování čistírenskéo kalu...35 6.1 Spalování kalu...35 6.1.1 Spalovací vzduc...35 6.1. Výpočet spalnéo tepla z elementárnío složení látky...36 6.1.3 Stanovení spalnéo tepla a výřevnosti...37 6.1.4 Hmotnostní bilance složek vzniklýc spalin...38 6.1.5 Tepelná bilance...40 6. Spalování zemnío plynu...40 6.3 Sušení vzducem...4 6.4 Sušení pomocí termooleje...44 6.5 Kotel na odpadní teplo...46 6.6 Parní turbína...49 7 Výsledky...50 7.1 Varianty procesů...50 7. Bilance spalování kalu...50 7.3 Bilance sušení vzducem...5 7.4 Bilance sušení pomocí termooleje...5 7.5 Bilance spalování zemnío plynu...53 7.6 Ekonomické srovnání jednotlivýc variant...54 8 Závěr...55 9 Seznam použitýc zdrojů...56 10 Seznam použitýc zkratek...60 11 Seznam použitýc symbolů...61 1 Seznam obrázků...68 13 Seznam tabulek...69 14 Seznam přílo...70 6

1 Úvod Ocrana vod patří mezi nejdůležitější zásady v oblasti životnío prostředí. Největší nebezpečí pro ydrosféru představuje vypouštění znečištěnýc odpadníc vod, jejicž vzniku se dosud nelze vynout. Nevyovující kvalita vody je proto častou příčinou vyynutí mnoa citlivýc biologickýc druů, onemocnění nebezpečnými nemocemi, ale také devastací globální biosféry Země. Aby bylo možné dokonale čistit povrcovou vodu, která se po použití vrací zpět do přírody, staví lidstvo čistírny odpadníc vod (ČOV). Tyto složité tecnologické zařízení používají nejen fyzikální a cemické, ale také biologické procesy. Díky neustálému zpřísňování legislativy se zvyšují požadavky na kvalitu vody, proto roste počet nově vznikajícíc ČOV, které mají za úkol minimalizovat negativní vlivy odpadníc vod. Kaly z čistíren odpadníc vod jsou pokládány za rizikový materiál, který při nevodném zpracování či neuvážené aplikaci může vážně znečistit životní prostředí. Kaly, vznikající při čištění odpadníc vod, představují méně než % z celkovéo množství vod přivedenýc na čistírnu. Je však v nic obsaženo téměř 80 % původnío znečištění. Skládkování kalů se jeví do budoucna jako neudržitelné a naprosto nevodné. Kromě nebezpečnýc dopadů na životní prostředí a zdraví člověka je také významnou skutečností vzestupná tendence poplatků za uložení kalů na skládku. Jinou možností je aplikace kalů na zemědělsky využívanou půdu. Tato však nelze použít v případec, kdy kal nesplňuje legislativou stanovené limity těžkýc kovů a dalšíc nebezpečnýc látek. Spalování surovéo směsnéo kalu je považováno za efektivní možnost finálnío nakládání s kaly, protože je ověřeno výbornými praktickými zkušenostmi z celé Evropy. Při spalování čistírenskýc kalů docází nejen k jejic ygienizaci, ale také k redukci jejic motnosti a objemu. Spalování má navíc ještě další pozitivní vlastnost, kvůli které se stává preferovanou záležitostí. Čistírenské kaly mají určitý energetický obsa, který lze spalováním dále využít. Toto ekonomické ledisko je dnes nezanedbatelným faktorem při rozodování o způsobu nakládání s kaly. Kal určený ke spalování je nejprve nutné podrobit sušícím procesům, protože kal po odvodnění obsauje stále značný podíl vody. Spalování takovéo kalu není energeticky soběstačné na rozdíl od spalování vysušenýc kalů. V této práci je provedeno porovnání několika variant, které jsou založeny na spalování sušenéo kalu. Výpočty jsou provedeny pro Ústřední čistírnu odpadníc vod (ÚČOV) v Praze, která v současné době stojí před volbou vodné koncepce kalovéo ospodářství. 7

Produkce kalu z čištění odpadníc vod.1 Legislativní stav Problematika nakládání s kaly podléá legislativě z oblasti vodnío ospodářství a odpadů, zákonům o vodác, ovzduší a půdě. Nakládání s odpady se řídí zákonem č. 185/001 Sb. [1] o odpadec. Pokud kal vyoví požadavkům na povolený obsa nežádoucíc prvků, je nejvodnější použít recyklační tecnologie. Pokud kal nesplní tyto požadavky, lze jej spalovat a případně i využít jeo energii. Při posuzování vodnosti způsobů odstranění odpadů má vždy přednost způsob, který zajistí ocranu životnío prostředí a zdraví populace. Vypouštění odpadníc vod do recipientů se řídí zákonem č. 54/001 Sb. o vodác a zákonem č. 74/001 Sb. o vodovodec a kanalizacíc pro veřejnou potřebu. Čistírny odpadníc vod jsou navrovány jako stavby s tecnologiemi splňujícími požadavky a přísné parametry směrnic rady Evropské unie (EU) v souladu s vydaným nařízením vlády č. 61/003 Sb., zákonem č.185/001 Sb. a ostatní platnou legislativou ČR. Zde jsou uvedeny související směrnice: Směrnice Rady 86/78/EEC o ocraně životnío prostředí a zejména půdy při používání kalů z ČOV v zemědělství upravuje používání kalů tak, aby nedocázelo k poškození půdy, vegetace, zvířat a člověka. Kal může být nebezpečný, proto je zakázáno aplikovat neupravené kaly na zemědělskou půdu. Směrnice Rady 91/71/EEC o nakládání s komunálními odpadními vodami stanovuje minimální standardy pro čištění odpadníc vod. Zakazuje vypouštění kalů do povrcovýc vod, stanovuje nutnost čištění odpadníc vod pro obce nad 000 ekvivalentníc obyvatel (EO). Směrnice Rady 91/689/EEC o nebezpečnýc odpadec je součástí zákona č. 185/001 Sb., jeož součástí je nakládání s kaly z odpadníc vod. Směrnice Rady 1999/31/EEC vyžaduje postupné omezení ukládání biologicky rozložitelnýc odpadů do skládek, včetně kalů z čistíren odpadníc vod. Směrnice Rady 000/96/EEC o spalování odpadu upřesňuje podmínky spalování. Kapitola byla vypracována s použitím literatury [], [3], [4], [5].. Čistírny odpadníc vod Odpadní vody se dělí podle jejic vzniku na splaškové, srážkové, průmyslové a zemědělské. Produkce splaškovýc odpadníc vod závisí na spotřebě pitné vody domácnostmi, zatímco srážkové vody přitékají kanalizací na ČOV podle srážkovéo úrnu v dané lokalitě a ročním období. Průmyslové a zemědělské odpadní vody jsou kapalnými odpady, které vznikají v rozmanitýc odvětvíc průmyslové a zemědělské činnosti. Pro umístění ČOV jsou vždy vybírány nejníže položené lokality sídel nebo průmyslovýc zón obvykle poblíž vodnío toku. Tento princip zajistí samotížný odtok odpadníc vod kanalizačním řádem z celé spádové oblasti. Každá ČOV produkuje určité množství kalu podle její velikosti, zatížení a zvolené tecnologie čištění odpadní vody. Vyprodukované kaly se zpracovávají v kalové koncovce, která je nedílnou součástí každé tecnologické linky čištění odpadníc 8

vod. Při dosažení minimálníc nákladů je cílem respektovat požadavky na ocranu životnío prostředí a zdravotní nezávadnost. ČOV musí splňovat mnoo požadavků, nejdůležitějším z nic je dosažení požadované jakosti vyčištěné vody. V současnosti je dle [] kladen důraz na: dosažení vysoké účinnosti mecanicko-biologickéo čištění, především na odstranění biogenníc prvků dusíku a fosforu, minimalizaci negativníc vlivů čistírny odpadníc vod na životní prostředí, snížení nároků na obsluu, vyšší stupeň automatizace a řízení, snížení energetické náročnosti procesu čištění, minimalizaci provozníc nákladů...1 Skladba čistírny odpadníc vod Příklad tecnologickéo uspořádání velké ČOV je zobrazen na obr. 1. Obr. 1 Tecnologické scéma ÚČOV Praa (003) [6] 9

Jako první tecnologické zařízení většina čistíren používá za nátokem odpadní vody rubé česle, jemné česle a lapáky štěrku jako rubé předčištění. Tato ocranná část ČOV odstraní nejrubší nečistoty z přivedené odpadní vody, zabrání mecanickému poškození i zvýšenému opotřebení strojnío zařízení čistírny. Dalším zařízením mecanickéo předčištění jsou lapáky písku, které crání čerpadla před abrazivním opotřebením. Pro odstranění jemnějšíc nečistot moou být zařazena rotační síta či mikrosítové filtry. Lapáky olejů a tuků (lapoly) zacycují veškeré organické látky, které mají nižší ustotu než voda a nemísí se s ní. Jedná se především o ropné látky obsažené v průmyslovýc odpadníc vodác. Primární sedimentace zajišťuje separaci primárnío kalu od surové odpadní vody na principu gravitační sedimentace v usazovacíc neboli sedimentačníc nádržíc. Usazený primární kal je srabovacím zařízením dopravován do prostoru sběrné kalové jímky, odkud je čerpán do objektů kalovéo ospodářství. Primární kal z usazovací nádrže dosauje koncentraci sušiny 7 %. V biologickém (sekundárním) stupni docází k biocemickému rozkladu rozpuštěnýc organickýc látek eterotrofními mikroorganismy, které se živí znečištěním vody. V aktivačníc nádržíc je zabezpečen přívod kyslíku pomocí provzdušňovacío zařízení. Obsa aktivační nádrže je tvořen aktivovanou směsí, tedy směsí aktivovanéo kalu a odpadní vody. Do aktivačníc nádrží se přidávají koagulanty (clorid železitý a síran linitý), které naruší elektrické náboje částic. Docází tak k vytváření prvotníc sluků aktivovanéo kalu. Ryclé proudění vody v aktivačníc nádržíc podporuje tvorbu zárodků vloček. Vzniklý aktivovaný kal je řazen mezi biologické (sekundární) kaly a tvořen směsnou kulturou mikroorganismů. Převážnou většinu aktivovanéo kalu zaujímají dle [7] destruenti (bakterie, ouby, plísně a kvasinky), jež se podílí na biocemickém rozkladu látek v odpadní vodě. Konzumenti tvoří asi 5 % osídlení, lze vypozorovat jednobuněčné prvoky jako bičíkovce, nálevníky, měňavky, mnoobuněčné vířníky, červy a áďátka. Aktivovaný kal má vločkovitou strukturu a dosauje sušiny pouze 1 3 %. Z aktivačníc nádrží je aktivovaná směs dále čerpána do dosazovacíc nádrží, kde docází k oddělení vyčištěné vody a kalu. Tyto nádrže disponují ve většině případů pojezdovým mostem, který slouží ke stírání kalu u dna nádrže a kalu plovoucío na ladině. Usazený kal se rozděluje na složku označovanou jako vratný kal, který je čerpán zpět do aktivačníc nádrží pro očkování, a složku přebytečnéo kalu. Přebytečný kal se smícá s primárním kalem z usazovací nádrže a je čerpán jako tzv. surový směsný kal do objektů kalovéo ospodářství. Tam docází k jeo zauštění, odvodnění a aerobní či anaerobní stabilizaci. Voda po sekundárním stupni čištění (odsazená voda z ladiny dosazovacíc nádrží) již vyovuje svou kvalitou stanoveným podmínkám a může být vypouštěna do vodoteče. V případě nutnosti lze ještě zařadit terciární stupeň čištění. Terciární (cemický) stupeň čištění snižuje koncentrace živin, sloučenin dusíku a fosforu, aby potlačil riziko eutrofizace toků. K desinfekci čištěnýc vod se používá clor. Mezi objekty terciárnío stupně čištění patří pískové, mikrosítové a zemní filtry nebo vegetační kořenové čistírny. Cemický (terciární) kal vzniká jako přírůstek produkce kalu v čistírnác s instalací cemickéo srážení fosforu, ke kterému se používá převážně síran železitý. Na snímku ÚČOV Praa (obr. ) jsou znázorněny nádrže dosazovací, aktivační, usazovací a vynívací. 10

.3 Úprava čistírenskýc kalů Obr. Letecký snímek ÚČOV Praa [8] Čistírenský kal je eterogenní směs organickýc a anorganickýc látek. Organické látky představují živé i neživé buňky mikroorganizmů obsaující proteiny, sacaridy a tuky, zatímco anorganické látky zarnují převážně sloučeniny fosforu, křemíku, vápníku a železa [9]. Kromě uvedenýc látek obsaují kaly také nebezpečné škodliviny, jejicž výskyt podléá pravidelné kontrole. Operace úpravy kalů z čistírny odpadníc vod rozdělujeme na: gravitační, odstředivé, flotační a rotační bubnové zaušťování, cemickou (použitím vápennéo mléka), termální, anaerobní či aerobní stabilizaci, odstředivé odvodňování kalů nebo odvodňování sítopásovými lisy a kalolisy. V dalšíc kapitolác jsou podrobněji rozebrány nejvýznamnější typy operací..3.1 Zaušťování kalu Tato operace zvyšuje obsa sušiny v kalu asi na 5 %. Zaušťování kalu je mimořádně důležité z lediska eliminace investičníc a provozníc nákladů při dalším zpracování kalu. Největším přínosem je snížení objemu, které usnadňuje následné operace, zmenšuje potřebné rozměry a kapacity úpravárenskýc zařízení. Gravitační zaušťování kalu je založeno na principu sedimentace v kalovýc prolubníc usazovacíc nádrží. Průměrně dosaované odnoty zauštění se poybují okolo 3,5 4,5 % sušiny. Konečné zauštění je ovlivněno provozními faktory, např. časovým režimem odkalování. 11

Strojní zaušťování je novějším způsobem a progresivním řešením vodným pro použití na většíc ČOV. Používají se pásové a odstředivé zaušťovače. Odstředivý zaušťovač kalů je znázorněn na obr. 3. a) odstředivka s pevným bubnem, b) odstředivka s neperforovaným košem. Obr. 3 Odstředivý zaušťovač kalů [10] Strojní zaušťování může také probíat na flotační jednotce, kde je vyvločkovaný kal vynášen pomocí provzdušňovacío systému na ladinu. Tam je stírán a čerpán k dalšímu zpracování. Odsazená kalová voda je čerpána do aktivačníc nádrží..3. Stabilizace kalu Stabilizace snižuje obsa zapácajícíc složek, patogenů a brání nekontrolovanému nití. Dle platné normy ČSN 75 6401 má být kal stabilizován. Stabilizovaný kal nepácne, nepůsobí obtíže při manipulaci, je ygienicky nezávadný, neškodí životnímu prostředí a je dobře odvodnitelný. Stabilizace může probíat buď za anaerobníc nebo aerobníc podmínek. Nyní bude pojednáno o vlastnostec těcto odlišnýc typů stabilizace na základě literatury [11]. Anaerobní stabilizace (metanizace či také vynívání) je energeticky aktivní proces, kdy docází ke vzniku bioplynu a snížení obsau sušiny vyniléo kalu. Bioplyn, který obsauje metan, poltí až 60 % kalorickéo obsau původnío surovéo směsnéo kalu. Spalování bioplynu v kogenerační stanici může sloužit k výrobě elektrické energie pro pokrytí potřeb provozu vlastníc objektů čistírny. Doba zdržení kalů v anaerobně stabilizačním reaktoru (obr. 4) musí být dostatečně dlouá, aby za pomoci mikroorganismů došlo k rozkladu vyššíc organickýc látek v kalu. Mícání reaktorů zajišťuje udržení stejnoměrné teploty a složení. Mezi negativní vlastnosti anaerobní stabilizace patří vysoké investiční náklady, protože reaktory musí být díky nízkému obsau sušiny stavěny o velkýc objemec. Anaerobní stabilizace se provádí buď v mezofilním nebo termofilním rozsau teplot. Při mezofilní anaerobní stabilizaci se dosauje teploty 30 35 C při době zdržení poybující se mezi 0 a 30 dny. Nejprve probíá stabilizace v mícané vyřívané anaerobní nádrži, pak doznívají stabilizační procesy v uskladňovací nádrži. Při termofilní anaerobní stabilizaci při teplotě až 60 C dostačuje poloviční doba zdržení kalu v reaktoru oproti mezofilnímu typu stabilizace. 1

Obr. 4 Anaerobní stabilizační reaktory ČOV Modřice [3] Při termofilní aerobní stabilizaci, která probíá při minimální teplotě 50 C, je teplo potřebné k udržení termofilníc podmínek získáváno biologickým rozkladem organickýc látek. Termofilní organismy jsou aerobní a mají exotermní metabolismus. Pro správný provoz je nutné zajistit dostatečné zauštění vstupnío kalu, efektivní mícání a provzdušňování, tepelnou izolaci reaktoru a rekuperaci tepla. Zakrytím reaktorů lze eliminovat pacovou zátěž okolí. Vyšší náročnost řízení, problémy s pěněním, minimální vstupní sušina kalu okolo 5 %, čištění odpadníc plynů, vysoká spotřeba energie pro mícání a dodávky vzducu patří mezi negativní vlastnosti. Pozitivním rysem je výrazné snížení investičníc nákladů oproti anaerobnímu způsobu stabilizace..3.3 Odvodňování kalu Cílem odvodňování je zvýšení obsau sušiny v kalu. Tecnologicky následuje odvodňování po stabilizaci, v případě malýc ČOV a příméo spalování surovéo kalu se aplikuje již na surový kal. Nejjednodušším a nejstarším způsobem odvodňování je aplikace kalu na speciální vodnou plocu s drenážním systémem ve dně kalové pole. Kal se napustí na drenážní trubky, vrstvu štěrku a vrstvu písku. Díky současnému působení filtrace a odpaření lze dosánout při sucém počasí až 65 % sušiny. Nevýodou je závislost na klimatu a povětrnostníc podmínkác a omezené možnosti aplikace na asi čtyři cykly ročně. Při odvodňování kalu strojním způsobem se dávkují do kalu cemická srážedla, koagulanty a polymerní flokulanty, které se podílejí na vytvoření vloček. Přispívají tak významnou měrou k odvodnění, bez jejic použití by odvodnění mělo nízkou účinnost. Přesné dávkování cemikálií, obsa sušiny tué fáze a koncentrace nerozpuštěnýc látek v tekuté fázi patří mezi sledované provozní ukazatele. 13

Při odvodňování na odstředivce se kal dle [1] přivádí potrubím v ose bubnu, odstředěný kal se usazuje na vnitřní straně rotačnío bubnu, zatímco filtrát (fugát) odtéká přes ranu bubnu zpět do procesu. Odvodněný kal je posléze dopravován šnekem rotujícím uvnitř bubnu k užšímu konci komoléo kužele odstředivky, kde vypadává ven. Odstředivky jsou vyledávány díky své výkonnosti a prostorové nenáročnosti v porovnání s ostatními odvodňovacími zařízeními. Při odvodňování pásovým filtračním lisem (obr. 5) vstupuje kal mezi dva nekonečné filtrační porézní pásy, které meandrovitě procázejí systémem lisovacíc válců nejprve v omogenizační, gravitační, posléze nízkotlaké a vysokotlaké sekci. V prvníc dvou sekcíc působí na kal pouze jeden pás. V nízkotlaké sekci docází ke stlačování kalu oběma pásy. Největšío tlaku je dosaženo ve vysokotlaké sekci při průcodu mezi válci malýc průměrů. Postupné stlačování koláče usnadňuje uvolňování vody. Výsledný odvodněný kal bývá z pásů odstraněn škrabkou. Produkovaný filtrát se vrací zpět do čistícío procesu. Pásy se čistí buď tryskáním vody nebo ručně ovládanými kartáči. Ryclost pásů je řízena prostřednictvím frekvenčnío měniče, každý pás je automaticky napínán a vystřeďován. Obr. 5 Princip pásovéo filtračnío lisu [10] Odvodňování filtračním lisem neboli kalolisem (obr. 6) zaručuje spolelivý cyklický proces tlakové filtrace. Při vysokém tlaku docází k separaci pevnýc látek od kapaliny. Kal je tlakem protlačován řadou filtračníc pláten a pevné látky jsou akumulovány v komorác lisu. Ze zadrženýc částic vzniká filtrační koláč obsaující vysokou koncentraci sušiny. Filtrát, vytlačený přes porézní tkaninu placetky, je recyklován zpět do procesu čištění. Velikost kalolisu bývá carakterizována počtem filtračníc desek a délkou jejic rany. Mezi nevýody kalolisů patří omezená životnost pláten a periodičnost provozu. Mezi nesporné výody patří dosažení vysoké koncentrace sušiny v odvodněném kalu, přizpůsobivost procesu filtrace a filtrovanému médiu při konkrétníc požadavcíc dané tecnologie. Kalolisy se 14

úspěšně ověřily v praxi při odvodnění kalů z úpraven vod tepláren, elektráren, z kalů komunálníc i průmyslovýc ČOV..3.4 Hygienizace kalu Obr. 6 Kalolis s rámovými deskami s fixním objemem [10] U čistírenskéo kalu musí být omezeny jeo nebezpečné vlastnosti. Za upravený kal je pokládán kal podrobený biologické, cemické nebo tepelné úpravě, při které se významně snížil obsa patogenníc organismů, a tím zdravotní riziko spojené s jeo aplikací. Kalcinace (vápnění) patří mezi jednoducé a rozšířené metody ygienizace. Spočívá v dávkování práškovéo pálenéo vápna CaO do kalu před nebo po jeo odvodnění. Při exotermní reakci pálenéo vápna a vody vzniká ydroxid vápenatý. Mezi nejvýznamnější výody patří výsledná eliminace salmonel, procentuální zvýšení sušiny a vodnost vápněnéo kalu pro půdy s nižším ph. Při vápnění se dosauje odnoty ph 1 a teploty až 55 C. Dávkován í vápna závisí vždy na konkrétním carakteru kalu. 15

3 Současné způsoby nakládání s kalem Vznik kalu jako odpadu je nevynutelným výsledkem čištění odpadníc vod. Zpracování těcto vod má odstraňovat nežádoucí složky z vody a koncentrovat je do objemově nevýznamnéo vedlejšío proudu, jímž je kal. Cílem úpravy kalů je zabránit nepříznivým dopadům na životní prostředí a tedy i lidské zdraví. Neupravené kaly není možné vypouštět ani ukládat, protože nečistoty v nic obsažené orožují ovzduší a vodstvo. Zdravotní rizika jsou spojena s koncentrací znečišťujícíc složek v kalu, závisí na počáteční kvalitě odpadní vody a na dosažené kvalitě vyčištěné odpadní vody. Požadavkem je ekonomicky únosné využití nebo zpracování kalů, které je také přijatelné pro životní prostředí. Zpracování kalů obvykle stojí více než polovinu celkovýc nákladů na čištění odpadníc vod. Obsa velkéo množství vody brání spalování kalů, pomocí novýc tecnologií je třeba produkovat kal s vysokou koncentrací sušiny. Díky neustálému trendu zpřísňování standardů pro životní prostředí bude zpracování kalů stále komplexněji řešeno. Ukládání kalů do moře bylo v Evropské unii legislativně zastaveno teprve k 31. 1. 1998 [13]. Produkci kalů nelze zabránit, vodným výběrem tecnologie lze pouze zmenšit jejic množství. Požadavky na vyšší kvalitu vypouštěné vody budou také nadále zvyšovat množství produkovanýc kalů. Jedinými možnostmi jsou recyklace a destrukční metody. Recyklací je míněno použití místo organickéo nojiva nebo rekultivace pro zlepšení kvality půdy. O některýc možnýc variantác zneškodnění čistírenskýc kalů bude podrobněji pojednáno v následujícíc kapitolác. 3.1 Kompostování a využití kalů v zemědělství Aplikaci kalů do zemědělské půdy omezují limity nebezpečnýc látek, protože zvláště v zemědělství musí ygienické riziko podléat přísné kontrole. Upravené kaly jsou svým obsaem živin podobné organickým nojivům a jsou přínosem pro výživu rostlin. Před použitím v zemědělství vždy musí být kal stabilizován a prověřen z lediska nezávadnosti. Při aplikaci kalů v zemědělství je vždy nutné zabránit nepříznivým dopadům na životní prostředí a lidské zdraví [14]. Kompostování, jak dokazuje obr. 7, zaujímá v současnosti v České republice nadpoloviční zastoupení mezi ostatními variantami nakládání s kaly. Obr. 7 Zneškodnění čistírenskýc kalů v ČR v roce 006 [15] 16

Při kompostování kalů docází k jejic aerobní biologické stabilizaci. Termofilní bakterie částečně rozloží původní organické látky z kalu na stabilní umusové látky, které jsou potřebné pro úrodnost půdy. Zemědělským využitím kompostů lze snížit deficit organickéo nojení a vyrovnat bilance organickýc látek v půdě. Při jeo použití se dosauje zvýšení úrodnosti půdy. Při tvorbě kompostu je kal kvůli zvýšení porozity mícán s plnivem (sláma, kůra dřevin), které je nutné pro efektivní provzdušňování a redukci vlkosti. Při výrobě kompostů je třeba zajistit na 1 t sušiny nezávadnýc čistírenskýc kalů alespoň 3,4 t sušiny dalšíc čistýc bioodpadů [16]. V kompostárně je kal promícán s plnivem a uspořádán do tvaru slou. Proces kompostování probíá při obsau vody v kompostovaném materiálu kolem 60 %, její množství v průběu procesu klesá. Díky mikrobiálním procesům se uvolňuje teplo, teplota materiálu dosauje až 60 C. Set rváním na této vysoké teplotě po určitou dobu docází k usmrcení patogenů, proto je nutné pravidelně kompost promícávat. Doba vytvoření kompostu čítá 15 až 45 dnů s následným stabilizačním skladováním 30 dnů. Pokud jsou splněny ygienické limity pro obsay nežádoucíc látek (tab. 1), lze použít i kaly z průmyslovýc ČOV. Prvek Pb Cd Cr Hg Ni Zn Cu As Mo Limitní obsa [mg/kg] 3. Skládkování kalů 500 13 1000 10 00 3000 100 50 5 Tab. 1 Limitní množství těžkýc kovů pro použití do kompostů [17] Skládkování kalů bývalo v minulosti lavním způsobem likvidace. V posledníc letec je obecně považováno za neudržitelné, a proto se od této činnosti ustupuje. Skládkování, jako zdánlivě nejjednodušší varianta, ovlivňuje životní prostředí takovou měrou, že ve vodě rozpuštěné nebezpečné látky orožují nejen jakost podzemníc zdrojů pitné vody, ale životnío prostředí vůbec. Vyluováním a zkoncentrováním nebezpečnýc látek je následně kontaminována půda. Navzdory všem negativním dopadům skládek na životní prostředí zůstává i nadále trvalé uložení kalů na skládkác jedním z finálníc způsobů nakládání s kaly. 3.3 Termické způsoby nakládání s kalem Tecnologie, při nicž působí na odpadní látku teplota nad mezí cemické stability látky, lze označit jako termické způsoby. Původně nebezpečné látky jsou přeměněny na neškodné produkty za vzniku vedlejšíc produktů, např. popela, strusky nebo plynnýc látek. Široké rozmezí teplot se dle [18] poybuje od 300 C do 1500 C. Podle steciometrickéo obsau kyslíku běem termickéo procesu jsou rozděleny procesy na oxidační a redukční. 3.3.1 Oxidační procesy Při oxidačníc procesec je obsa kyslíku v reakčním prostoru steciometrický nebo i nadsteciometrický vzledem k obsau ořlaviny v materiálu. Příkladem tooto typu procesu je spalování, nejdůslednější a ygienicky nejúčinnější způsob odstranění odpadů. Při řízeném exotermickém sloučení ořlaviny s kyslíkem 17

docází k redukci původnío objemu a zničení nebezpečnýc látek. Tento tecnologicky jednoducý proces umožňuje pouze produkci tepla. 3.3. Redukční procesy Při redukčníc procesec zplyňování a pyrolýzy je obsa kyslíku v reakčním prostoru podsteciometrický nebo zcela zanedbatelný. Při pyrolýze docází k termickému rozkladu organickýc látek bez přístupu kyslíku. Vzniklé produkty tvoří těkavé plynné produkty a tuý zbytek (koks). Zplyňováním lze využít energii obsaženou v kalu. V současnosti se tento způsob jeví jako efektivní a spolelivý, protože zplyňovat lze dle [19] v podstatě libovolnou motu organickéo původu. Při teplotác nad 800 C nedocází díky podsteciometrickému množství vzducu k oxidaci ořlavýc prvků v sušině. Místo too se nedokonalým ořením materiálu přemění ulíkaté látky na ořlavou směs plynů (syntézní plyn, energoplyn), mezi kterými převažuje vodík, oxid uelnatý a metan. Účelem zplyňování je transformace maximálnío podílu energie paliva do maximálnío energetickéo obsau plynu. Kvůli obsau nežádoucíc látek pracu, sloučenin dusíku, benzenu, sirovodíku, detové a vodní mly, alogenů cloru a fluoru, je nutné energoplyn před dalším využitím vyčistit. Obsa nečistot způsobuje provozní problémy jednotek. Zanášení přívodnío potrubí a zadetování pracovníc ploc motorů a turbín může dle [0] způsobit vážné porucy zařízení vedoucí k odstavení jednotek. Vyčištěný energoplyn lze následně spalovat v ořácíc nebo účinněji v plynové turbíně poánějící generátor pro výrobu elektrické energie. Při zplyňování nejprve docází k oxidaci ulovodíků a vodní páry z paliva, potom k jejic následné redukci na ořlavé plyny, destilační produkty a minerální zbytek. V porovnání se spalováním je zplyňování výodnějším procesem, protože při něm vzniká méně nežádoucíc emisí. Tento příznivý efekt je dosažen díky lepší regulaci následnéo spalovacío procesu, protože docází ke spalování plynnéo paliva. 3.3.3 Spalování kalů v elektrárnác Podmínky pro současné spalování odpadů jsou upřesněny zákonem č. 354/00 Sb. Ve státec, kde jsou kaly spalovány, bývá jejic množství asi 5 % váovéo množství ulí, větší podíl se nedoporučuje s oledem na možnost snížení teploty oření. Nároky na zavedení tecnologie současnéo spalování kalů vyžadují doplnění stávajícío tecnologickéo celku o zařízení pro příjem kalu, jeo skladování a dávkování do kotle. V Německu je v provozu dle [1] asi 5 uelnýc elektráren, které spalují spolu s ulím čistírenské kaly. V České republice jsou sice elektrárny vybaveny účinným čištěním emisí, přesto tento způsob nakládání s kaly není zatím považován za perspektivní. 3.3.4 Spalování kalů v cementářskýc pecíc V cementářskýc pecíc je úspěšně realizováno spalování kalů z městskýc ČOV. Tato bezodpadová metoda konečnéo zpracování kalu byla vyvinuta v Japonsku a z lediska provozovatele je ryze ziskovou záležitostí. Primárními zdroji energie pro provoz cementáren jsou fosilní paliva, která lze částečně naradit odpadem definovanéo složení. Cementářský průmysl vyžaduje dle [1] min. 90 % sušiny v kalu a odnotu jeo výřevnosti asi 10 000 kj/kg. 18

Vysušený kal bývá dávkován do nejteplejší zóny rotační pece, kde docází vlivem teploty nad 1000 C ke spolelivému spálení organic ké moty a úplnému odstranění všec toxickýc organickýc látek. Kvůli zacování dobrýc vlastností cementu lze naradit sušeným kalem pouze 5 % množství ulí. Anorganický zbytek v omezeném poměru k cementářské motě výrobek nepříznivě neovlivní, mimo jiné z důvodu podobnéo složení cementářské suroviny a popelu vznikléo spálením kalů. Slínek je po vyclazení namlet spolu se sádrovcem do výslednéo produktu, cementu. Limitujícím faktorem použití kalů jako paliva je obsa nebezpečnýc látek. Těžké kovy jsou však pevně vázány do cementářskéo slinku a nemoou z něj být vyluovány. 3.3.5 Spalování kalů ve spalovnác odpadů Úkolem prvotníc spaloven bylo zničení coroboplodnýc zárodků a redukce množství odpadů. Postupem času začaly spalovny využívat uvolněnou tepelnou energii spalin v kotlíc, jejicž účinnost zdokonalením tecnologií dosála až dnešníc 80 % (v případě kogenerace). Ve spalovnác odpadů jsou čistírenské kaly spalovány spolu s odpadem, buď jako odvodněné kaly s obsaem sušiny do 5 %, nebo jako vysušené kaly s minimálním obsaem sušiny 75 %. Spalování odvodněnéo kalu je energeticky náročnější, přináší pokles výkonu kotle, protože voda obsažená v kalu se musí nejprve odpařit. Spalovny musí být vybaveny účinným systémem čištění spalin, který umožní také spalování čistírenskéo kalu. 19

4 Sušení kalu Energetický obsa čistírenskýc kalů spočívá v energii přítomnýc organickýc látek, které jsou scopny oxidace. Za nejdůležitější energetický parametr každéo paliva je považována výřevnost. Kaly jsou velmi řídké suspenze, jejic výřevnost závisí na dosaženém stupni zauštění, odvodnění a vysušení. Významným parametrem pro spalovací proces je tedy obsa sušiny v kalu. Odvodněné kaly obsaují vysoký podíl vody 60 až 80 % [9]. Kvůli jejic nízké výřevnosti kalů je nelze samostatně spalovat. Proto je výodné všem tecnologiím termickéo zpracování kalů předřadit proces jejic sušení. Odpařováním vody dojde ke snížení jejío obsau, tedy i redukci motnosti. Další manipulace a nároky na dopravu pak budou ekonomicky únosnější. Vysušený kal se stává energetickou surovinou, ze které lze spalováním získat tepelnou energii. 4.1 Teorie sušení Vlkost může být uložena v tělese na povrcu, může být také vnitřní vlkostí v pórec, kapilárác nebo může být koloidní jako součást vlastnío materiálu. Procesem sušení lze vyjádřit transport vlkosti k povrcu a její následné odpaření vlivem tepelné energie. Při sušení je v rovnováze vlkost sušícío média a vlkost materiálu, proto je míra sušení limitována vlkostí sušícío média. Sušení patří mezi energeticky náročné procesy, snížit ekonomické náklady na sušení kalu lze pouze jeo odvodněním. Účinnost sušícío procesu závisí na teplotě sušení, ploše přenosu tepla a velikosti vrstvy sušenéo kalu. Produktem sušení je sušený granulát o obsau 70 až 95 % sušiny, který je biologicky stabilní, bezproblémově skladovatelný a pacově neutrální. Díky vysokému obsau sušiny je vodný zejména pro spalování ve všec spalovacíc zařízeníc. Při odpaření vody a dostatečné době prodlení na teplotác sušení nad 100 C je vítaným vedlejším účinkem sterilizace kalu. Docází k usmrcení enterobakterií, salmonel, červů i dalšíc parazitů. U nízkoteplotnío sušení při 40 C na pásové sušičce k likvidaci patogenů dle [1] nedocází, výodou je však nižší energetická náročnost. Usušený kal je odolnější proti opětovné kontaminaci, protože množení bakterií je podmíněno vlkostí. Při transportu a manipulaci je tedy nutné zamezit opakovanému proniknutí vlkosti. Při obsau sušiny 85 % je skladovatelnost sucéo kalu až 3 roky bez přídavku stabilizátorů. Při nižším obsau lze stabilizovat kal přidáním 1 % močoviny. Dle [] je kal vysušený na 70 % problematický z ygienickéo lediska kvůli možnému růstu ub, které spolu s pracovým podílem vysušenéo kalu moou způsobit alergie. Problém prašnosti usušenéo kalu lze vyřešit peletizací. Peletizovaný kal obsauje méně než 1 % pracovýc částic. Peletizace přináší řadu výod, kromě snížení prašnosti také omogenizaci, přesnost dávkování, bezproblémovost při přepravě a manipulaci. Pro čistírenské kaly se obvykle volí velikost pelet nad 5 mm. Kaly vodné pro peletizaci musí dosaovat sušiny min. 60 % [3]. Při nedostatečném vysušení se může objevit nebezpečí samovznícení kalů. Při dosažené sušině okolo 65 % někdy samovznícení také nastává v místec s vyšší vlkostí jako důsledek autooxidace kalu. Přítomnost pracovéo podílu kalu se významně podílí na nebezpečí výbucu kalu. Proto se usušený kal skladuje v inertizované atmosféře při snížené koncentraci kyslíku pod 5 %. 0

Mezi odpadní produkty sušení patří v procesu vzniklé odpadní plyny a vodní páry, které jsou odváděny do ovzduší přes biofiltry, a kondenzát jako produkt oclazení sušícío média. Tecnologický celek sušárny může taktéž pracovat plně automaticky při zařazení řídící a regulační tecniky. Je vodné jej doplnit zařízením pro manipulaci s vysušeným kalem a skladovacími sily. Proces sušení může být realizován konvekčním (přímým), kontaktním (nepřímým) nebo sálavým způsobem, o nicž bude pojednáno v následujícíc kapitolác. 4. Konvekční (přímé) sušení Sušící médium (vzduc, spaliny, přeřátá vodní pára, inertní plyn) je přiváděno do příméo kontaktu s čistírenským kalem a odnímá mu vodu. Výstupní odtaové plyny nasycené vodní párou podléají čištění. Mezi běžně používané konvekční sušící zařízení patří bubnové sušárny, pásové sušárny, šnekové sušárny, fluidní sušárny a solární sušárny (kombinace konvekčnío a sálavéo principu). 4..1 Bubnová sušárna Mezi lavní výody bubnovýc sušáren patří jejic použitelnost pro sušení a granulaci většiny sypkýc materiálů včetně komunálníc a průmyslovýc kalů. Tento nejrozšířenější způsob sušárny kalů je ověřen mnoaletými provozními zkušenostmi. Dostatečná tepelná účinnost je zaručena rovnoměrným průcodem granulátu bubnem se stálou ryclostí sušení. Doporučená doba průcodu sušenéo materiálu bývá delší než doba nutná k jeo vysušení. Nevýodou bubnové sušárny navzdory dokonalému přizpůsobení vnitřní vestavby je nižší intenzita sušení v porovnání např. s fluidní sušárnou. Odvodněný kal se dávkuje ze zásobníku šnekovým podavačem, který současně rozmělňuje větší částice. Aby se zamezilo připékání kalů na stěny bubnu, je nezbytné smísit mokrý kal s vratným vysušeným materiálem (prac z odlučovače pracu, nedosušený granulát) na sušinu cca 60 %. Nalepením částic kalu na předsušený materiál se vytváří základ granulátu. Vzniklá směs je sušena orkými spalinami ve speciálním rotačním bubnu na sušinu až 90 % [1]. Při otáčení bubnu je sušený kal neustále promícáván a přesouván vestavěnými rameny. Princip bubnové sušárny je znázorněn na obr. 8. Vysušený kal je odstraňován šnekovým vynašečem. Při omogenizaci docází ke třídění, odsátí pracu a nedosušenéo granulátu. Z orkýc zplodin je nejprve odloučen prac, následně při průcodu výměníkem zplodiny odevzdají teplo, které se využije k předeřevu kalu. Dále moou posloužit jako spalovací vzduc ve spalovacím zařízení. Prac z třídění i zplodin se vrací zpět jako surovina do mícacío zařízení. Vytříděný granulát je omogenizovaný, bezprašný, ygienizovaný a tvarově stabilní. Jeo použitím a manipulací nedocází k pacovému zatížení okolí. Po oclazení je uložen do sila granulátu a připraven pro další využití. Emise do ovzduší jsou díky zařazení odlučovače pracu (multicyklonu) minimální. 1

1. Buben sušárny.. Ořívák vzducu. 3. Dopravník kalu. 4. Zásobník sušenéo kalu. 5. Šnekový vynašeč sucéo kalu. 6. Ventilátor. 7. Odlučovač pracu. 8. Odvod vzniklé vodní páry. 9. Odta. 10. Hradící zařízení. 11. Pracové částice. 1. Napojení zdroje tepla k bubnu. 13. Zásobník odvodněnéo kalu. 14. Usušený granulát. 4.. Pásová sušárna Obr. 8 Princip bubnové sušárny [1] Pásová sušárna (obr. 9) se v praxi osvědčila pro širokou škálu použití, od kalů z komunálníc i průmyslovýc čistíren odpadníc vod až po biomasu. Vytváří optimální podmínky pro využití odpadnío tepla, spalin, páry nebo orkéo vzducu jako teplonosnéo média. 1. Odvodněný kal.. Dávkování kalu. 3. Zásobník odvodněnéo kalu. 4. Perforovaný sušící pás. 5. Sušící médium. 6. Zásobník vysušenéo kalu. 7. Proud plynu. 8. Poon pásu. 9. Vysušený granulát. Obr. 9 Princip pásové sušárny [1]

V závislosti na zdroji tepla a teplotě sušícío média se používají pásy textilní (tkané i netkané), kovové (perforované, tkané z ocelovýc vláken) a pásy na bázi plastickýc mot. Vrstva odvodněnéo kalu od 4 do 15 cm je skrze orizontální pás provzdušňována proudem teplonosnéo média o teplotě asi 150 C [4]. Sušící vzduc při svém proudění absorbuje vlkost ze sušenéo materiálu. Po průcodu sušící zónou dosauje výsledný produkt přes 90 % sušiny a musí být před konečným zpracováním oclazen. Díky možnosti násobnéo využití teplonosnéo média lze vybudovat vícepásové systémy, kdy jsou pásy umístěny v patrec nad sebou. Tento typ sušárny kromě nižšíc investičníc nákladů i nákladů na údržbu šetří také zastavěnou plocu. Vysoušený kal není nijak mecanicky namáán, proto je podíl pracovýc částic malý. K eliminaci případnýc nežádoucíc paců vzniklýc při sušení lze zařadit biofiltry. Veškerým nežádoucím pracovým a pacovým emisím do okolnío prostředí lze předejít při podtlakovém provozu zařízení. Zvláštním typem jsou sušárny pracující při teplotě sušícío média kolem 40 C. Využívá se přirozené vlastnosti sucéo vzducu polcovat vlkost, proto je samotnému sušícímu vzducu před procesem sušení odňata vlkost. 4..3 Šneková sušárna Další variantou tecnickéo řešení sušení kalů je šneková sušárna (obr. 10). Používá nejen kontaktní, ale také konvekční typ sušení čistírenskýc kalů. 1. Vstup kalu.. Odta vzniklé vodní páry. 3. Sušící médium (pára). 4. Vyřívaný šnek. 5. Výstup kalu. 6. Poon šneku. Obr. 10 Princip šnekové sušárny [1] Kontaktní typ využívá pro vyřívaný šnekový dopravník za teplonosné médium olej, který je ořátý na 50 C. Při kontaktu média, vyřívanýc ploc a sušenéo kalu docází k odpařování vody z kalu. Při průcodu kalu šnekovým žlabem je zajištěno jeo neustálé kypření a přesypávání, které přispívá k optimálnímu odpaření vody. Šnekové žlaby bývají obvykle umístěny nad sebou ve čtyřec rovinác. Konvekční typ je založen na podobné konstrukci. Rozdíl spočívá v otevřenosti žlabů umístěnýc v jednom bloku. Šnekové dopravníky zajišťují postupný cod sušenéo kalu sušárnou. Jako zdroj tepla bývají využity plynové ořáky. Vzniklé orké spaliny 3

procází sušící komorou. Mezi vodné zařízení patří biofiltry eliminující nepříznivé pacy a mecanismus odvodu vzniklé vodní páry. 4..4 Fluidní sušárna Principem sušícío procesu (obr. 11) je udržení částic kalu ve vznosu vzestupným proudem orkýc plynů nebo vzducu. Při vyrovnání tíové síly materiálu a vzestupné síly proudícío média dojde k nadnášení materiálu. Při dalším růstu ryclosti proudícío média nastává fluidizace, kdy se materiál v poybu vznáší. Sušení se provádí intenzivním přenosem tepla ve fluidní vrstvě. Snížení ustoty vrstvy a pokles vzájemnéo tření umožňuje intenzivní promícávání. Obr. 11 Princip fluidnío sušení [5] Fluidní lože je proříváno orkým médiem proudícím systémem trubic. Oclazené médium se vrací zpět k tepelnému zdroji, aby se znovu ořálo na potřebnou teplotu. Protože je ze spodní strany fluidní lože profukováno, udržuje vysoušený kal ve vznosu a odnímá mu vodu. Mecanicky odvodněný kal je při dávkování rozmělňován na malé částečky, které jsou vmícány do fluidizovanéo lože sucéo granulátu. Cirkulační plyn obsauje plyny z vysušenéo kalu, kontrolovaný obsa kyslíku nepřevyšuje 3 %. Prostor fluidní sušárny je inertizován dusíkem, aby se eliminovalo riziko požáru či výbucu. Pracové částice jsou po průcodu cyklonem vráceny do fluidnío lože. Sucý granulát dosauje na výstupu z fluidní sušárny asi 90 % sušiny, sromažďuje se v silu a je odvážen k dalšímu použití např. do spalovací pece. Vysušený kal je bezprašný produkt, který je biologicky stabilní. Provoz zařízení může být projektován jako bezobslužný, navíc díky plynotěsnému provedení nezatěžuje životní prostředí nežádoucími pacy. 4

4.3 Kontaktní (nepřímé) sušení Teplo je při tomto typu sušení přenášeno do sušenéo kalu prostřednictvím vyřívanýc ploc. Topné médium je vedeno uzavřeným topným okruem a nepřicází do styku s kalem. Protože vodní páry nejsou smícány s topným médiem, probíá jejic kondenzace v rekuperačním výměníku. Na tomto principu kontaktnío sušení kalů pracují diskové a tenkovrstvé sušárny. 4.3.1 Disková sušárna Stator diskové sušárny (obr. 1) je tvořen vnitřním vyřívaným žebrováním válcovéo tělesa. Vyřívaný rotor sušárny tvoří disky upevněné na duté ose, které se otáčí a tak kypří, provzdušňují a transportují sušený kal sušárnou. Jako teplonosné médium je zde použit termální olej. Díky důmyslnému systému lopatek je zamezeno napékání kalu na vyřívanýc plocác. Tento nežádoucí efekt lze omezit částečným vracením již vysušenéo kalu. Vysoká účinnost sušení vycází z neustáléo kontaktu vyřívanýc ploc a sušenéo kalu. Volitelný konečný obsa sušiny a produkt (pasta, prac, granulát, brikety) předurčuje široké použití tooto typu sušárny. Kal dosauje sušinu 85 95 %, systémem dopravníků je za současnéo oclazování přepravován do kontejnerů. 4.3. Tenkovrstvá sušárna Obr. 1 Disková sušárna odvodněnýc kalů ČOV Modřice [6] V této sušárně je voda intenzivně odpařována z tenké vrstvy kalu (0,5 3,5 mm) na stěně dutéo tělesa kuželovéo tvaru [1]. Vysušený kal je nepřetržitě seškrabáván a transportován k výstupnímu otvoru. Scéma tenkovrstvé sušárny je zobrazeno na obr. 13. 5

1. Odvodněný kal.. Vodní páry. 3. Vstup vyřívacío média. 4. Sušený kal. 5. Výstup vyřívacío média. 6. Poon válce. 4.4 Sálavé sušení Obr. 13 Princip tenkovrstvé sušárny [1] U sálavéo sušení je solární energie absorbována ve vlkém kalu, kdy nejprve dojde k jeo ořátí a následně k odpaření jeo vlkosti. Mezi nejvýznamnější parametry sálavéo sušení patří teplota, vlkost a ryclost proudění okolnío vzducu, struktura a teplota sušenéo kalu. 4.4.1 Solární sušárna Metoda vysoušení kalu solární energií byla v minulosti používána na kalovýc políc. Kromě solární energie byla využívána přirozená scopnost okolnío vzducu odnímat kalům vlkost. Tento způsob vysušení čistírenskýc kalů se však již nepoužívá kvůli vysoké provozní náročnosti a nepříjemným pacovým emisím. Moderní náradou, pracující na stejném principu, jsou solární sušárny. Ve sklenícíc solární záření ořívá okolní vzduc a je absorbováno kalem. Vzduc nasycený vodní parou je regulačním zařízením odvětráván. Aby se netvořily anaerobní zóny, musí být vrstvy kalu pravidelně obraceny. Nároky na zastavěnou plocu sušárny vzrůstají s poklesem rozdílu teploty sušenéo kalu a teplonosnéo média. Optimálnío sušícío výkonu je dosaováno pouze v měsícíc s dostatkem slunečnío záření, v ostatníc měsícíc se kal výradně sromažďuje. Závislost na ročním období a příznivém počasí lze vyřešit dodatečným přívodem energie. Pokud lze využít více různýc zdrojů energie, např. odpadní teplo, bioplyn, redukuje se nutná ploca pro vysoušení a je možné kontinuálně sušit i v klimaticky nepříznivýc měsícíc. Díky aerobní povaze sušícío procesu je eliminována pacová zátěž prostředí. Při vysoké provozní spolelivosti je dosaováno stabilizovanéo konečnéo produktu konstantní kvality. V praxi byly realizovány solární sušárny kalů pro 1 000 až 300 000 EO. 6

5 Spalování Pokud kal nelze využít ke nojení, kompostování nebo rekultivaci, mělo by dojít k jeo spalování. Spalování kalů je v některýc evropskýc státec preferovaným způsobem řešení kalové otázky [7], kterým lze maximálně eliminovat rizika spojená s odstraněním kalů. Energetická náročnost termální destrukce kalů závisí na obsau a výřevnosti sušiny v kalu. Spalování musí předcázet sušení nebo alespoň odvodnění, protože spalování kalů s malým obsaem sušiny je velmi energeticky náročné. Spalováním docází k likvidaci organickéo obsau kalu, ygienizaci, podstatnému zmenšení motnosti a objemu. Zbytkové množství zaujímá převážně sušina z anorganickýc pevnýc látek. Režim spalování je třeba přesně řídit, aby bylo zaručeno zneškodnění ygienicky závadnýc látek, které jsou buď obsaženy ve spalovaném materiálu nebo vznikají při jeo spalování. Proces musí být doplněn účinným odloučením veškerýc škodlivin ve spalinác. Kromě elektrofiltrů sloužícíc k zacycování popílků je vodné zařadit také mokré či sucé pračky plynů. Tato zařízení zaručují zacycení většiny toxickýc látek. Mezi negativní vlastnosti spalování se řadí případné použití pomocnéo paliva a vysoké investiční náklady, jejicž snížení lze dosánout současným spalováním kalů s komunálními odpady. V následujícíc kapitolác, vypracovanýc na základě literatury [8] a [9], bude pojednáno o běžně používanýc tecnikác spalování. 5.1 Teorie spalování Spalování je silně exotermická reakce, jejíž tepelný efekt se obvykle projeví vytvořením plamene. Velikost tepelnéo efektu ovlivní skupenství vstupujícíc surovin a vystupujícíc produktů. Oxidační reakci složek ořlaviny provází vznik lavníc produktů spalování, oxidu uličitéo (CO ), vody (H O), a dalšíc zplodin spalování, oxidu siřičitéo (SO ), clorovodíku (HCl) nebo fluorovodíku (HF). Spalná teplota carakterizuje palivo z lediska jeo tecnologickéo využití. Lze ji stanovit z bilance tepelné rovnováy přijatéo a vydanéo teplo při spalování paliva: Q + Q + Q = Q + Q + Q + Q (1) c p vz sp ned Q c značí cemické teplo z výřevnosti paliva. Teplo předeřátéo paliva Q p se spočte podle vztau: Q p p p p p dis z = m c, t, () kde c p,p značí měrnou tepelnou kapacitu paliva, m p jeo motnost a t p jeo teplotu. Teplo předeřátéo vzducu Q vz je určeno rovnicí: Q vz = c t α V, (3) p, vz vz vzduc, min kde c p,vz označuje měrnou tepelnou kapacitu vzducu a t vz jeo teplotu. V vzduc,min je minimální množství vzducu potřebnéo ke spálení paliva. Součinitel α vyjadřuje přebytek vzducu, který lze určit jako poměr skutečnéo objemu sucéo spalovacío vzducu a steciometrickéo objemu nutnéo pro dokonalé spálení 7

kalu. Při spalování se obvykle přivádí více vzducu, než je jeo steciometrická potřeba. Výstupní proudy tepla jsou vyjádřeny teplem spalin Q sp, cemickým a mecanickým nedopalem Q ned, disociačním teplem Q dis a ztrátovým teplem Q z. Teplo spalin je určeno množstvím spalin V sp, měrnou tepelnou kapacitu spalin c p,sp a jejic teplotou t sp takto: Q sp = V c, t (4) sp p sp sp Vzájemným dosazením rovnic lze spočíst teplotu spalin, která vyjadřuje spalnou teplotu paliva: t sp Qc + Qp + Qvz Qned Qdis Qz = (5) V c sp sp Spalná teplota je teplotou spalin v okamžiku spálení za předpokladu dokonaléo spalování. Skutečná spalná teplota je obtížně prakticky stanovitelná, protože závisí na vlastnostec paliva, podmínkác a průběu spalovacío procesu. Proto se stanovují přibližné spalné teploty, které vystiují skutečnou spalnou teplotu jen při platnosti určitýc omezení. 5.1.1 Adiabatická spalná teplota Adiabatická spalná teplota t ad slouží k určení vlastností paliva při adiabatickýc podmínkác přívodu i odvodu tepla. Stanovuje se pro dokonalé spalování při steciometrické spotřebě vzducu, kdy je součinitel přebytku vzducu roven jedné. Z vlastností adiabatickýc dějů vyplývá: Q Q = Q = Q = Q = 0 (6) p = vz ned dis z Proto lze adiabatickou spalnou teplotu stanovit při znalosti výřevnosti LHV pomocí vztau: t ad LHV = V c sp,min sp, (7) kde V sp,min je objem spalin při steciometrické spotřebě vzducu. 5.1. Teoretická spalná teplota Pomocí teoretické spalné teploty t sp,teor lze srovnávat paliva, podmínky spalování a spotřebu spalovacío vzducu. Při steciometrické a nadsteciometrické spotřebě vzducu platí pro její výpočet rovnost: Q Q = Q = 0. (8) ned = dis z Teoretickou spalnou teplotu lze vyjádřit podílem dle vztau: t LHV + Q p + Qvz, =. (9) V c sp teor sp 5.1.3 Praktická spalná teplota sp Praktická spalná teplota t sp,prak zoledňuje skutečné podmínky spalování, zarnuje také odvody tepla do okolí a ostatní ztráty. Vypočte se pomocí následující rovnice: 8

t sp,prak Qc + Qp + Qvz Qned Qdis Qz = (10) V c 5.1.4 Spalné teplo a výřevnost sp sp Spalné teplo (HHV, Higer Heating Value) je takové množství tepla, které vznikne dokonalým spálením jednotkovéo množství paliva, pokud se spaliny ocladí na původní teplotu paliva a voda je získána v kapalném skupenství. Spalné teplo je větší než výřevnost o teplo získané kondenzací vody, která vznikla spalováním paliva. Výřevnost (LHV, Lower Heating Value) je takové množství tepla, které vznikne dokonalým spálením jednotkovéo množství paliva, pokud se spaliny ocladí na původní teplotu paliva a voda je získána v plynném skupenství. Hodnota výřevnosti odpovídá odnotě spalnéo tepla zmenšenéo o výparné teplo vody obsažené v palivu a vody vzniklé spalováním vodíku, jenž je vázaný v ořlavině paliva. 5.1.5 Ztráta žíáním Tué palivo se skládá z ořlaviny, popeloviny a vody. Složení ořlaviny se určuje pomocí elementární analýzy, která stanoví procentuální podíl motností ulíku, vodíku, kyslíku, dusíku a spalitelné síry v ořlavině. Nespalitelná síra je zarnuta v obsau popelovin. Popeloviny a voda jsou sournně označovány jako balastní podíly. Sumu bezvodýc podílů v kalu lze označit jako sušinu. Určením obsau sušiny se podrobně zabývá norma ČSN EN 1880 Carakterizace kalů Stanovení veškerýc látek a obsau vody. Hodnoty obsau sušiny jsou udávány v motnostníc procentec. Hmotnost organiky m udává množství spalitelné složky neboli ořlaviny. Stanoví se jako rozdíl motnosti sušiny m s a motnosti popela m a : m = m m (11) s a Ztráta žíáním ZŽ je podílem motnosti ořlaviny m a motnosti sušiny m s, vyjadřuje se procentuálním podílem: m ZŽ = 100% (1) m s Touto problematikou se podrobněji zabývá norma ČSN EN 1879 Carakterizace kalů Stanovení ztráty žíáním. 5. Spalovny Proces termickéo zpracování kalů je specifickou problematikou, protože v kalu jsou často obsažené sloučeniny, jejicž produkty spalování jsou nebezpečné pro životní prostředí. Pro dokonalý tepelný rozklad všec těcto sloučenin, převážně sloučenin cloru a fluoru, musí být splněny určité podmínky. Aby spalování probíalo požadovaným způsobem a vznikaly neškodné plynné látky, je nutno zajistit dodržení požadavků týkajícíc se turbulence, teploty a doby. K dokonalé oxidaci všec sloučenin přispívá nadsteciometrický přívod kyslíku a jeo dokonalé promísení s uvolňovanými produkty. Dostatečně vysoká teplota při spalovacím procesu musí umožnit soření i neprcavýc spalitelnýc podílů. 9

Minimální teplota spalování je dána legislativou [9]. Pro odpady s obsaem cloru pod 1 % platí doba setrvání spalin s při teplotě 850 C. Pro odpady s obsaem cloru nad 1 % je předepsána doba setrvání spalin s při teplotě 1100 C. Vzniklé spaliny jsou před procesem jejic čištění oclazovány na teplotu 00 C. Tam docází k odstranění tuýc škodlivin, emisí dioxinů a furanů a také oxidů dusíku. Spalovací zařízení jsou posuzována podle provedení oniště na typy: roštové s pevným roštem (šikmým, rovným), s poyblivým roštem (natřásací, posuvné, otočné, válcové), etážové, s rotační pecí, se šactovou pecí, s komorovou pecí, fluidní. Nyní bude o nejvýznamnějšíc typec spaloven pojednáno podrobněji. 5..1 Roštová spalovna Klasická koncepce spalovny (obr. 14) umožňuje spalování jakéokoli typu tuéo odpadu. Spalování na roštu vycází z nejstaršío způsobu spalování pevnýc paliv. Spalovací cyklus procází několika po sobě jdoucími fázemi, které závisí na teplotě v reakčním prostoru. První fází je vysušení, další odplyňování, zapálení, oření a vyoření. Důsledkem spalování se zmenšuje objem spalovanéo materiálu. Výška lože z původní odnoty až jednoo metru přecází na třetinovou až čtvrtinovou výšku vrstvy škváry nebo popela. Pece s pevnými rošty jsou vodné pro menší výkony, zatímco pece s poyblivými rošty jsou spíše používány pro vyšší výkony spaloven. Rošt představuje nosná ploca s otvory pro přívod spalovacío vzducu. Spalovaný materiál je dávkován sesora do reakční komory na rošt, kde probíá vlastní spalování. Spalovací vzduc je přiváděn nejčastěji pod rošt. Vodně navržený rošt umožňuje nejen oporu spalovanéo materiálu při vlastním oření, ale i dostatečný přívod vzducu, dokonalé vyoření odpadu a odvod tuýc zbytků po spálení. Jako nejstarší řešení spalovací tecnologie je typ roštové spalovny stále zdokonalován, aby mol konkurovat modernějším procesům. Jako lavní nevýody jsou uváděny neomogenní proořívání spalované látky na roštu. Ke zlepšení podmínek spalování se přistupuje úpravou roštové komory nebo dalším přívodem vzducu. Případným zařazením podpůrnýc ořáků se nejen lépe dosauje potřebné zápalné teploty v reakční komoře, ale také stabilizuje proces oření. Typ spalovny s roštovým oništěm je provozně velmi spolelivý, bez obtíží dodržuje limity emisí a limitní odnoty zbytkovéo organickéo ulíku (menší nebo roven 3 %), resp. nedopalu (menší nebo roven 5 %) [30]. Tak vyovuje požadavkům na optimální materiálové využití a bezpečné uložení zbytkovýc látek. 30

5.. Etážová spalovna Obr. 14 Scéma spalovny odpadů [1] Zařízení etážové spalovny je konstruováno tak, aby vznikající spaliny svým teplem předeřívaly spalovanou surovinu a odpařily z ní vodu. Po předcozím vysušení se stane spalovaný materiál lépe spalitelným. Scéma etážové pece ukazuje obr. 15. Pec je válcovéo tvaru, po výšce rozdělena na etáže. V každé etáži je osová řídel opatřena rameny s lopatkami ze žáruvzdornéo materiálu. Lopatky jsou vodně nastaveny tak, že otáčením řídele postupuje palivo ke středu, kde otvorem propadne na nižší etáž. Tam je palivo rnuto od středu k obvodu, kde opět propadne otvorem níže. Protože spalovaný kal takto procází pecí ve spirále, je zajištěna dostatečně dlouá doba k jeo spálení. Etáže v různé výšce mají odlišné funkce. Na orníc etážíc probíá proces sušení, na středníc etážíc docází ke spalování a dolní etáže jsou určeny k oclazení popela. 31

Spalovací vzduc je do pece přiváděn zdola, tedy protiproudně k palivu. Odta spalin je proveden v orní části pece, směs vodníc par a spalin je recirkulována zpět do oniště. V reakčním prostoru je dosaováno teplot až 900 C. 1. Dávkování kalu.. Dávkování přídavnéo paliva. 3. Přívod spalovacío vzducu. 4. Odvod spalin. 5. Vzducem clazený stupeň popela. 6. Vzducem clazený řídel oniště. 7. Odvod popela. Obr. 15 Scéma etážové pece [1] Pozitivní vlastností etážové pece je možnost spalovat kromě kalů také srabky, tuky a oleje ze zácytnýc jímek, a tak plně zpracovat veškeré produkty vzniklé čištěním odpadníc vod. 5..3 Rotační bubnová spalovna Spalování v rotační bubnové peci je velmi odlišné od spalování na roštu. Použitím rotační pece lze dosánout rovnoměrnéo oření paliva a docílit vyššíc teplot v prostoru pece. Výměna tepla v reakčním prostoru pece probíá sáláním plamene a spalin, konvekcí proudícíc spalin a kondukcí žavé vyzdívky. Do rotační pece lze dávkovat palivo jakékoli konzistence, které může být také uzavřeno v obalec ze spalitelnéo materiálu. Do rotačnío spalovacío bubnu, který je skloněn o asi 5, ústí násypka pro materiál určený ke spalování. Na předním čele pece je umístěn zapalovací ořák a násypka, odvod tuýc zbytků po spalování je na protilelém konci. Palivo a pecní plyny se poybují souproudě, při pomalé rotaci bubnu docází k nepřetržité omogenizaci a intenzivnímu promísení spalované látky. Neustálý poyb spalovanéo materiálu umožňuje taktéž dobrý kontakt se spalovacím vzducem. Spalovací proces probíá v několika po sobě jdoucíc etapác. V sušícím pásmu teplot do 400 C neoří materiál plamenem ani nevzniká struska. Kolem teploty 900 C nastává pásmo odplynění, kdy oří plynová směs s nízkým bodem zápalnosti na povrcu materiálu. Při dosažení teploty 100 C ve spalovacím pásmu 3

docází k intenzivnímu spalování plynů. V poslední etapě jsou zbytky ze spálenéo materiálu spékány do skelné formy. Po ryclém zclazení tekuté strusky ve vodní lázni má struska vzled drcenéo černéo skla. 5..4 Fluidní spalovna Fluidní spalovací pec (obr. 16) se skládá z válcovéo ocelovéo pláště, pískovéo lože (používá se křemičitý písek) a dna s tryskami pro vánění fluidnío vzducu. Při určité ryclosti proudění vzducu dojde ke vznosu částic, nastalý jev se podobá varu kapaliny. Obr. 16 Fluidní spalovací pec [10] Lože je dle [10] fluidizované vzducem při tlaku 0 35 kpa, teplota pískovéo lože se poybuje mezi 760 až 80 C. Vroucí fluidní mot a se cová jako kapalina, drží ladinu, teče a každá pevná částice koná volný poyb omezený pouze stěnami pláště. Částice se vznášejí tak, že to opticky připomíná systém vodotrysků. V turbulentním proudění docází k dokonalému kontaktu orkýc plynů a tuýc částic. Rovnoměrným rozptýlením paliva ve žavém prostoru fluidnío lože se vypaří voda a zažene sušina. Důsledkem intenzivnío mícání vsázky ve zvířeném fluidním loži je její dokonalé spálení. Po celé výšce fluidnío lože má směs stálou 33

teplotu. Při kontinuálním procesu nebo s dodržením krátkýc přestávek není nutné pro zapálení pomocné palivo. Spalování ve fluidní vrstvě patří mezi nejmodernější tecnologie díky vynikajícímu přenosu tepla a omogennímu spalování. U dna reaktoru se nevyskytuje žádný popel, protože odcází s kouřovými plyny. Plynné emise obsaují tué znečišťující látky (popeloviny), oxidy dusíku, kyselé plyny, ulovodíky a těžké kovy. Jejic obsa závisí na složení kalu případně pomocnéo paliva. Díky relativně nízké teplotě oření (v porovnání s klasickými spalovacími systémy) docází k menší tvorbě oxidů dusíku a rovněž redukci zanášení oniště struskou. Emise do ovzduší by měly splňovat legislativou stanovené kvalitativní požadavky. 34

6 Bilance sušení a spalování čistírenskéo kalu Složení kalu a elementární obsa prvků jeo ořlaviny patří mezi základní vstupní odnoty výpočtu. Mezi další vstupní parametry jsou zařazeny teplota vstupnío vzducu, součinitel přebytku vzducu, vstupní množství sušiny, obsa sušiny v kalu a jeo ztráta žíáním. Veškeré výpočty byly provedeny pomocí programu Microsoft Excel. Kapitola byla vypracována s použitím literatury [31]. 6.1 Spalování kalu Každé tué palivo je tvořeno ořlavinou, vodou a popelem. Jejic obsa je určen motnostními zlomky podle následujícío vztau: x x + x = 1, (13) + a w kde obsa ořlaviny v palivu je označen jako x, obsa popelovin v palivu jako x a a obsa vody v palivu jako x w. Při spalování tuéo paliva (obr. 17) patří mezi vstupní proudy tué palivo a spalovací vzduc, výstupní proudy procesu tvoří spaliny a popel. Tepelná bilance musí zarnovat tepelné ztráty. Tué palivo Spalovací vzduc Tepelné ztráty Spalování tuéo paliva Spaliny Popel 6.1.1 Spalovací vzduc Obr. 17 Scéma spalovacío procesu tuéo paliva Vlký vzduc je směsí absolutně sucéo vzducu a vlkosti v podobě vodní páry. Relativní vlkost vzducu φ vycází z obsau vodní páry ve vlkém vzducu za dané teploty a tlaku. Lze ji vyjádřit následující rovnicí: yh O ϕ 100, (14) y kde = H O y určuje koncentraci vodní páry ve vlkém vzducu, H O 35 y znamená rovnovážnou koncentraci vodní páry ve vlkém vzducu, která je při použití Daltonova zákona určena jako podíl tlaku vzducu p a tlaku nasycenýc par p 0 : y H O = p 0 p Pro výpočet tlaku nasycenýc par p 0 vody při zadané teplotě T je použita Antoineova rovnice ve tvaru: AntB log p O = AntA [31] (16) AntC + T H O (15)

Použité koeficienty Antoineovy rovnice jsou konstantní, v teplotním intervalu do 100 C nabývají pro vodu odnoty dle následující tab. : AntA 7,1961 AntB 1730,637 AntC 33,46 Tab. Koeficienty Antoineovy rovnice Objem složek sucéo vzducu je konstantní. Koncentrace složek vlkéo vzducu y i,vz se určí pomocí složení sucéo vzducu y i,s.v. a koncentrace vodní páry y : ( 1 y ) yi, vz yi, s. v. H O = (17) 6.1. Výpočet spalnéo tepla z elementárnío složení látky Výpočet spalnéo tepla ořlaviny vycází z empirickýc vztaů. Pro jejic použití k určení spalnéo tepla je nutné znát elementární obsa prvků ulíku, vodíku, síry, kyslíku, dusíku a cloru v ořlavině, obsa vody a popelovin v palivu. V níže uvedenýc empirickýc výpočtec různýc autorů je spalné teplo HHV vypočteno pro 100% ořlavinu a označeno jako HHV. Použité symboly C, H, S, O označují obsa kyslíku, vodíku, síry a ulíku v ořlavině [m%]. Mendělejev: HHV Dulong: HHV ( S O ) = 339 C + 1030 H + 109 (18) = 339,1 C + 114, H 151,8 O + 104, 7 S (19) Institute of Gas Tecnology: HHV = 341 C + 13 H + 68,5 S 10 ( O N ) (0) Strace a Lant: HHV Steuer: HHV = 340,6 C + 143,4 H + 104,6 S 153, O (1) = 340,6 C + 143,4 H + 104,6 S 153, O () Grummel a Davies: C O S HHV = (15, H + 987,5) + H (3) 3 8 Micel: HHV Gumz: HHV = 4 340,3 C + 143, H + 6,8 N + 190,9 S 98, O (4) = 4 340,3 C + 1017,1 H + 6,8 N + 190,9 S 98, O (5) 36 H O

Scuster: O HHV = + 9 8 339 C + 143 H S (6) Protože žádný z výše uvedenýc vztaů není určen přímo pro výpočet spalnéo tepla kalů, je v této práci spalné teplo paliva počítáno z aritmetickéo průměru empirickýc rovnic jako HHV,prům, který je přepočten pomocí obsau ořlaviny v palivu x na spalné teplo paliva HHV p : HHV p = HHV, x (7) průr Pokud není známo elementární složení ořlaviny paliva, je možné spalné teplo stanovit experimentálně kalorimetrickou metodou. O této problematice je podrobně pojednáno v normě ČSN ISO 198 Tuá paliva Stanovení spalnéo tepla kalorimetrickou metodou v tlakové nádobě a výpočet výřevnosti. Kalorimetrie se zabývá měřením tepla při různýc fyzikálníc i cemickýc dějíc. Používané zařízení je označováno jako kalorimetr. 6.1.3 Stanovení spalnéo tepla a výřevnosti Při výpočtu výřevnosti se na rozdíl od spalnéo tepla uvažuje voda v kapalném stavu. Proto je třeba od spalnéo tepla odečíst součin množství celkové vody W celk a výparnéo tepla vody H VÝP, které při teplotě 0 C nabývá odnotu 454 kj/kg: LHV = HHV H výp W celk (8) Množství celkové vody W celk pocází z původní vlkosti paliva x w a z vody vzniklé jako produkt spalování vodíku z ořlaviny W H : W = x + W (9) celk w H Množství vody vzniklé oxidací vodíku je založeno na následující steciometrické rovnici: 1 + O H O (30) H = Dosazením molárníc motností látek lze obdržet:,016 kg H + 16,000 kg O = 18, 016 kg H O, (31) z čeož se určí koeficient pro výpočet množství vody vzniklé ze spalitelnéo vodíku: 18,016,016 = 8,397 (3) Koeficient, zaokroulený na odnotu 8,94, vystupuje v následujícím vztau, který popisuje závislost vlkosti paliva x w na obsau spalitelnéo vodíku v palivu x H,p : = 8,94 (33) x w x H, p Pokud je v ořlavině paliva obsažen clor, je nutné při výpočtu respektovat skutečnost, že část vodíku obsaženéo v palivu přednostně reaguje s clorem dle reakce: Cl + H HCl (34) 37

Množství vodíku spalitelnéo na vodu se tedy sníží o jeo spotřebu H HCl na vznik clorovodíku HCl při reakci s clorem. Toto množství je dáno poměrem molárníc motností vodíku MW H, cloru MW Cl a obsaem cloru v ořlavině Cl : H Cl MW H HCl = (35) MWCL Korigovaný obsa vodíku v ořlavině x H,kor je určen jako rozdíl vodíku obsaženéo v ořlavině H a celkové spotřeby vodíku H,celk na tvorbu HCl: MWH x = H, kor H Cl (36) MWCL 6.1.4 Hmotnostní bilance složek vzniklýc spalin Vznik spalin popisují následující rovnice: C + O CO (37) 1 1 + O H O (38) 4 H N N (39) S + O SO (40) Cl + H HCl (41) 1 O O (4) Ve výpočtu jsou použity tyto předpoklady: veškerý dusík přecází do dvouatomové formy, nedocází ke vzniku oxidů dusíku NO x, spalování probíá za dostatečnéo přívodu kyslíku, nedocází k nedokonalému spalování ulíku a nevzniká oxid uelnatý CO, obsa vodíku v palivu je dostatečný pro reakci s clorem. Určení steciometrické spotřeby kyslíku V O,stec se provede jako součet kyslíku potřebnéo pro oxidaci ořlavýc složek, který je zmenšený o množství kyslíku obsaženéo v palivu. Koeficienty pocázejí ze steciometrickýc rovnic pro vznik spalin, které platí pro látková množství. Proto je do rovnice kvůli přepočtu zařazen molární objem při normálníc podmínkác V n o odnotě,414 m 3 kmol -1. Složení ořlaviny je uváděno v motnostníc zlomcíc, kde x C značí obsa ulíku, x S obsa síry, x O obsa kyslíku v ořlavině. Ve vztau vystupují také molární motnosti ulíku MW C, vodíku MW H, síry MW S a kyslíku MW O : x 0,5 x C H, kor xs xo V = + + O, stec Vn (43) MWC MWH MWS MWO Teoretická spotřeba vzducu na 1 kg ořlaviny V vzduc,teor, je vyjádřena poměrem: VO, stec V vzduc, teor, = (44) y O 38

Teoretická spotřeba vzducu na 1 kg paliva V vzduc,teor,p je funkcí obsau ořlaviny x : V VO, stec, = x (45) y vzduc teor, p O Teoretickou spotřebu vzducu m& p, udává rovnice: V & vzduc teor = vzduc, teor, p p & V vzduc, teor, nutnou pro spálení danéo množství paliva V m&, (46) Spotřeba vzducu na spálení 1 kg ořlaviny V vzduc, se v závislosti na součiniteli přebytku vzducu α změní takto: VO =, stec V vzduc, α (47) y O Spotřeba vzducu na spálení 1 kg paliva V vzduc,p se v závislosti na přebytku vzducu α změní takto: V vzduc, p VO, stec = x α (48) y Celkové množství vzducu m& p, udává rovnice: V & O vzduc celk, kal = vzduc, p p & V vzduc, celk, kal, nutné pro spálení danéo množství paliva V m&, (49) Objemy vzniklýc spalin jsou tvořeny složkami spalovacío vzducu a produkty steciometrickýc reakcí podle výše uvedenýc rovnic. Voda z vlkosti odpadu přecází do spalin ve formě vodní páry. 0,5 x x = (50) V H, kor w H O sp kal x Vn Vn Vvzduc y,, + + vzduc, H O MWH MW H O V V V V V V C CO,,sp,kal n vzduc vzduc, CO MWC x = x V + V y (51) O,sp,kal Vvzduc yvzduc,o V O,stec = (5) 0,5 x N N,sp,kal = x Vn + Vvzduc yvzduc, N MW (53) N Ar,sp,kal = V y (54) vzduc vzduc,ar x S SO,sp,kal = x Vn + Vvzduc yvzduc, SO MW (55) S x Cl HCl,sp,kal = x Vn + Vvzduc yvzduc,hcl (56) MWCl 39

Celkový objem spalin V sp,kal se vypočte jako součet objemů všec složek spalin: sp,kal = i V V (57) i,sp,kal Koncentrace jednotlivé složky spalin y i,sp,kal je rovna podílu objemu složky V i,sp,kal a celkovéo objemu všec složek spalin V sp,kal : Vi,sp,kal y i,sp,kal = (58) V i i,sp,kal 6.1.5 Tepelná bilance Měrná entalpie vzducu vzduc při teplotě T vzduc se určí jako součet příspěvků složek dle následující rovnice: = y vzduc i vz i, vzduc i,, (59) kde y i,vz je objemový zlomek složky ve směsi a i,vzduc měrná entalpie složky. Při výpočtu entalpie složky plynné směsi přísluší každé složce jiné konstanty K i, L i, M i, N i, O i, které jsou dosazeny do následujícío polynomu: i i i.vzduc = Ki t0,vzduc + Li t1,vzduc + M i t,vzduc + Ni t3,vzduc (60) T 73,15 Vn Uvedené teploty t 0,vzduc, t 1,vzduc, t,vzduc a t 3,vzduc jsou určeny z následujícíc vztaů: t T 73,15 (61) 0, vzduc = vzduc T 73,15 t1, = vzduc vzduc (6) 3 3 T 73,15 t, = vzduc vzduc (63) 3 4 4 T 73,15 t3, = vzduc vzduc (64) 4 Entalpie vzducu H vzduc je vyjádřena součinem průtoku V vzduc a měrné entalpie vzduc : H vzduc = V (65) vzduc vzduc Do tepelné bilance uzlu vstupují vzduc a uvolněné teplo ze spalování kalu, vystupují spaliny a popeloviny. Teplota spalin se určí iteračně funkcí řešitele z tepelné rovnováy vstupníc a výstupníc složek uzlu. 6. Spalování zemnío plynu Zemní plyn (ZP) je plynné palivo, které obsauje spalitelné ulovodíky (metan, etan a další) a inertní složky, které se oxidačníc reakcí nezúčastňují (dusík, oxid uličitý). Při spalování ZP probíají kromě jinýc tyto steciometrické reakce: CH 4 + O CO + H O (66) O O 1 40

C H 6 + 3,5O CO + 3H O (67) Obecná steciometrická reakce spalování ulovodíků lze vyjádřit takto: C H m + n + O 3CO + 4H O (68) 4 n m Výřevnost zemnío plynu LHV ZP závisí na výřevnostec jeo složek LHV i,zp : y i, ZP = LHV ZP LHVi, ZP i 100, (69) kde y i,zp zastupuje objemovou koncentraci složky v zemním plynu. Steciometrická spotřeba kyslíku V O,stec závisí na číselnýc konstantác ze spalovacíc rovnic, určí se jako součet množství kyslíku potřebnéo pro oxidaci ořlaviny zmenšený o množství kyslíku obsažené v palivu: V O stec 1 1 = ych + 3,5 y... 4 CH + y 6 H + y CO + y (70), O Teoretická spotřeba vzducu V vzduc,teor,zp se stanoví jako podíl steciometrické spotřeby kyslíku a koncentrace kyslíku ve vzducu: vzduc,teor,zp V O,stec V = (71) y O,vzduc Skutečná spotřeba vzducu V vzduc,skut,zp závisí na součiniteli přebytku vzducu α: V V α (7) vzduc,skut,zp = vzduc,teor, ZP Celková spotřeba vzducu V vzduc,celk,zp ke spálení danéo množství paliva se určí: V & vzduc,celk,zp = V V&, (73) vzduc,skut,zp kde V & ZP je objemový průtok zemnío plynu. ZP Spaliny vzniklé steciometrickým spalováním ZP jsou tvořeny nespalitelnými inertními sloučeninami ZP a všemi složkami spalovacío vzducu kromě kyslíku. Koeficienty tvorby H O a CO pro jednotlivé složky ZP v následujícíc rovnicíc vycázejí ze steciometrie: V H O,sp,ZP 7 y V y V C H 6 CO,ZP 14 CO,sp,ZP = y,zp + y = y + V CH CH,ZP H O,ZP 4,ZP vzduc,zp 4 y + 3 y + V + y CO,vzduc C H vzduc,zp C H,ZP y + V y 6,ZP y + 4 y C H H O,vzduc + 3 y N,sp,ZP N,ZP vzduc,zp N,vzduc 6 C H 3 8 3,ZP 8,ZP + 5 y + 4 y C H 4 C H 10 4 10,ZP,ZP + 6 y + 5 y C H 5 C H 1 5 1,ZP,ZP + + 6 y C H 6 14,ZP + (74) (75) = (76) V Ar,sp,ZP = y + V y (77) Ar,ZP vzduc,zp Ar,vzduc Množství kyslíku ve spalinác V O,sp,ZP závisí na jeo steciometrické spotřebě, o kterou je zmenšeno: 41

V α 1 = Vvzduc,ZP yo, vzduc (78) α O,sp,ZP Celkový objem spalin V sp,zp je roven součtu objemů jednotlivýc složek: sp,zp = i V V (79) i,sp,zp Koncentrace jednotlivýc složek spalin y i,sp,zp se stanoví jako podíl objemu složky V i,sp,zp a celkovéo objemu spalin V sp,zp : Vi,sp,ZP y i,sp,zp = (80) V sp,zp Objemový průtok spalin V sp,celk,zp je určen pomocí následujícío vztau jako součin celkovéo objemu spalin V sp,zp a průtoku zemnío plynu V ZP : V & sp,celk,zp = V V& (81) sp,zp ZP Měrná entalpie plynné směsi ZP ZP se při teplotě T ZP určí jako součet příspěvků složek v rovnici: ZP = y, (8) i i,zp i,zp kde i,zp je měrná entalpie složky ZP. Při výpočtu entalpie složky plynné směsi ZP každé jeo složce přísluší jiné konstanty P i, R i, S i, U i a Z i, které jsou dosazeny do následujícío polynomu: Z Z 1 = P t R t S t U t T 73,15 (83) Vn i i i, ZP i 0, ZP + i 1, ZP + i, ZP + i 3, ZP Uvedené teploty t 0,ZP, t 1,ZP, t,zp a t 3,ZP jsou určeny z následujícíc vztaů: t T 73,15 (84) 0, ZP = ZP T 73,15 t 1, = ZP ZP (85) 3 3 T 73,15 t, = ZP ZP (86) 3 4 4 T 73,15 t 3, = ZP ZP (87) 4 Teplota spalin se určí funkcí řešitele z tepelné rovnováy vstupníc a výstupníc složek uzlu. 6.3 Sušení vzducem Bilance teoretické jednostupňové sušárny vycází ze scématu na obr. 18. V materiálové bilanci představují vstupní proudy motnostní tok sušiny m suš, motnostní tok vody m / w ve vlkém kalu a motnostní tok sušícío vzducu m vz. Výstupní proudy tvoří motnostní tok sušiny m suš, motnostní tok vody ve vysušeném kalu m // w a motnostní tok sušícío vzducu m vz : 4

m & + m& + m& = m& + m& + m& (88) suš w vz suš w vz V tepelné bilanci vystupují kromě zmíněnýc motnostníc toků vstupní proudy entalpie sušiny / s, entalpie vody ve vlkém kalu / w, entalpie sušícío vzducu 1, teplo Q suš dodané sušícímu vzducu a přídavné teplo Q př. Ve výstupníc proudec vystupují entalpie sušiny // s, entalpie vody ve vysušeném kalu // w, entalpie sušícío vzducu 3 a ztrátové teplo Q z : suš s + m& w w + m& vz + Qsuš + Q př = m& suš s + m& w 1 w + m& vz 3 m & + Q (89) z vlký vzduc proud 3 m & vz, m &, T w 3, 3 Q z sucý kal proud 5 m, m, suš w w Q p předeřátý vzduc proud m & vz, m &, T w, vlký kal proud 4 m, m, suš w w Q suš Obr. 18 Bilance teoretické jednostupňové sušárny Při výpočtu teoretické sušárny platí určité zjednodušující podmínky: Nejsou uvažovány tepelné ztráty Q z ani přídavné teplo Q př k ořevu transportnío zařízení. Entalpie sušenéo materiálu je považována za konstantní. Entalpie volné vlkosti / w je vzledem k odnotě výparnéo tepla zanedbatelná. Množství vzducu m vz je konstantní. Mezi vstupní odnoty náleží množství sušiny m suš, vstupní D in a výstupní D out obsa sušiny v kalu. Parametry sušícío vzducu se sodují s parametry spalovacío vzducu. Složení sušícío vzducu je přepočteno z objemové koncentrace V i,vzduc,suš na motnostní koncentraci x i,vzduc,suš při předpokladu vzducu jako ideálnío plynu pomocí vzorce: Vi,vzduc,suš MWi x i,vzduc,suš = (90) V MW i,vzduc,suš i Každý kilogram vzducu poltí množství vody m w,1kg vzduc, které odpovídá rozdílu měrnýc vlkostí proudu vzducu 3 x out a proudu vzducu x in : m studený vzduc proud 1, m &, T w, 1kg vzduc = xout xin (91) m & vz w 1, 1 43

Měrná vlkost x i je definována jako poměr motnosti páry m páry a motnosti sucéo vzducu m s.v. : m páry x = (9) m s.v. Lze ji také stanovit pomocí relativní vlkosti φ a tlaku nasycenýc par p p // : ϕ p p x = 0,6 p ϕ p suš p // Tabelované odnoty tlaku nasycenýc par p p jsou určeny pro příslušné teploty vzducu na vstupu a výstupu ze sušárny. Sušárny pracují v oblasti mírnéo podtlaku kvůli pacovým emisím do ovzduší, proto je tlak p suš volen 98 kpa. Hmotnost vody ve vstupním proudu kalu m / w se stanoví dle vztau: m m suš w = msuš (94) Din Hmotnost vody ve výstupním proudu kalu m // w se vypočte následujícím způsobem: m m suš w = msuš (95) Dout Odpařená voda z kalu m w,odpař,suš.v. se stanoví jako rozdíl motnosti vody ve vstupním a výstupním proudu kalu: m & w odpař suš v = m& w m&,,.. w (96) Průtok sucéo vzducu V suš.v. vycází z podílu odpařené vody z kalu m w.odpař.suš.v. a množství vody polcené kilogramem vzducu m w,1kg vzduc : V suš. v. w,1kg vzduc (93) m& w, odpař, suš. v. = (97) m Měrná tepelná kapacita vody c p,w nabývá odnoty 4,186 kj kg -1 K -1. Hodnota měrné tepelné kapacity sušiny c p,suš je rovna kj kg -1 K -1 [3]. Vstupní proudy do tepelné bilance sušárny zarnují teplo Q 1 proudu vzducu 1 a teplo Q suš. Teplo Q suš je nutné dodat vzducu k vyrovnání potřeby výparnéo tepla vody. Součet Q 1 a Q suš představuje celkové dodané teplo Q proudem vzducu do sušárny. K výpočtu entalpií vzducu byly použity vzorce z kapitoly 6.1.5. Výstupní proudy tvoří teplo na ořátí kalu Q kal,ořev, teplo na odpaření vody z kalu Q kal,odpař a teplo Q 3 výstupnío proudu vzducu 3. Teplo na odpaření vody obsažené v kalu se vypočte pomocí výparnéo tepla vody a množství odpařené vody z kalu. Teplota proudu vzducu je funkcí řešitele iteračně určena tak, aby rozdíl dodanéo a spotřebovanéo tepla byl nulový. 6.4 Sušení pomocí termooleje Teplonosným médiem na bázi organosilikátů je dietylpolysiloxan (silikonový olej), jeož termodynamické vlastnosti závisí na teplotě. 44

Mezi vstupní odnoty uzlu náleží vstupní T o,in a výstupní teplota T o,out termooleje, vstupní D in a výstupní odnota sušiny D out, množství sušiny kalu m suš. Hmotnostní tok termooleje m o, který je potřebný k vysušení zadanéo množství kalu o danýc parametrec, se dopočítává z bilance uzlu. Měrná tepelná kapacita termooleje c p,o se vyčíslí podle polynomickéo rozvoje z tabelovanýc dat uvedenýc v [33] takto: 6,039 + 0,0008 To + 3 To c p, o = 10 Měrná tepelná kapacita oleje při vstupní c p,o,in a výstupní teplotě c p,o,out se vypočte dosazením příslušnýc teplot do polynomickéo rozvoje: c c 6 p, o, in =,039 + 0,0008 To, in + 3 10 To, in 6 p, o, out =,039 + 0,0008 To, out + 3 10 To, out (98) (99) (100) Pro určení tepla dodanéo termoolejem je použita střední měrná tepelná kapacita oleje c p,o,stř, která vycází z integrace polynomickéo rozvoje měrné tepelné kapacity podle teploty: c p, o, stř = T o, in 1 T o, out T T o, in c o, out p, o dt (101) Hodnota měrné tepelné kapacity kalu c p,k se mění v závislosti na vstupní a výstupní odnotě sušiny D in a D out. Měrná tepelná kapacita kalu na vstupu do sušárny c p,k,in se vypočte podle vztau: c p, k, in c p, w ( 100 Din ) + Din c p, w = (10) Měrná tepelná kapacita kalu na výstupu ze sušárny c p,k,out se určí pomocí vzorce: c p, k, out c p, w ( 100 Dout ) + Dout c p, w = (103) Pro bilanci tepla přijatéo od termooleje je použita průměrná měrná tepelná kapacita kalu c p,k,prům spočtená jako aritmetický průměr měrnýc tepelnýc kapacit při vstupní a výstupní teplotě: c p,k,prům c p,k,in + c p,k,out = (104) Teplo přivedené termoolejem Q o je funkcí množství termooleje m o, jeo průměrné měrné tepelné kapacity c p,o,prům a jeo vstupní T o,in a výstupní teploty T o,out. Q o o p,o,prům ( T T ) = m& c (105) o,in o,out Teplo na odpaření vody z kalu Q w je přímo úměrné výparnému teplu vody H VÝP a množství odpařené vody m w,odpař,suš.t., které se stanoví jako rozdíl množství vody ve vstupním a výstupním proudu kalu. Q & H (106) w = mw, odpař, suš. t. VÝP Teplo na ořátí kalu Q k závisí na množství sušiny m suš, měrné tepelné kapacitě sušiny c p,suš,, teplotě kalu v sušárně T k,suš, vstupní teplotě kalu do sušárny T k,in, vstupní odnotě sušiny D in a měrné tepelné kapacitě vody c p,w podle následující rovnice: 45

m& & (107) suš ( T T ) + ( D ) c ( T T ) Q k = msuš c p, suš k, suš k, in 1 in p, w k, suš k, in Din Vstupní proud uzlu tvoří teplo přivedené termoolejem, výstupní proud součet tepel k ořátí kalu a k odpaření vody z kalu. Rozdíl výstupníc a vstupníc proudů je funkcí řešitele iteračně nulován při proměnlivé odnotě motnostnío toku termooleje, která je žádanou neznámou. Použitá energetická bilance zanedbává přenos tepla přes plocy a tepelné ztráty sušárny. 6.5 Kotel na odpadní teplo Kotel na odpadní teplo bývá označován zkratkou HRSG dle anglickéo názvosloví eat recovery steam generator. V kotli se nespaluje palivo, kotel pouze využívá odpadní teplo spalin z předcozío spalování kalu. Jejic množství a teplota vycázejí z předešlýc výpočtů. Použitý model se skládá z ekonomizéru, výparníku a přeříváku. Teplotní profil všec tří složek kotle je zobrazen na obr. 19. V žádném jeo místě nesmí dojít k překřížení teplotníc profilů jednotlivýc proudů, aby mola probíat výměna tepla mezi spalinami a vodou. Dostatečný rozdíl teplot proudů podporuje přenos tepla. Obr. 19 Teplotní profil HRSG Minimální teplotní přiblížení T PINCH vyjadřuje rozdíl teploty spalin na výstupu z výparníku T FG,EVAP,OUT a teploty sytosti napájecí vody T SAT, má zásadní vliv na množství vznikající páry a výstupní teplotu spalin: TPINCH = TFG, EVAP, OUT TSAT (108) Rozdíl teplot T se stanoví pomocí rozdílu teploty napájecí vody na mezi sytosti T SAT a vody na výstupu z ekonomizéru T BFW,ECO,OUT : T = T SAT T BFW, ECO, OUT Bilance se řeší ve dvou krocíc, nejprve pro uzel přeřívák a výparník (obr. 0): H + (109) FG, HRSG, IN + H BFW, EVAP, IN = H FG, EVAP, OUT + H STEAM, HRSG, OUT + QHL, EVAP + SUP QBD (110) 46