BIOPALIVO NA BÁZI BIOMASY A ČISTÍRENSKÝCH KALŮ JEHO VÝROBA A PRAKTICKÉ VYUŽITÍ Cemerková Anna V příspěvku je popsána výroba, receptura vstupních substrátů a využití biopaliva na bázi biomasy a kalů z čistíren odpadních vod (ČOV) v praxi. Vyrobená směs biomasy po aerobní fermentaci je vhodná jak k použití na zemědělská pole pro nepotravinářské účely, tak pro energetické využití v energetických jednotkách malých a středních zdrojů. Klíčová slova: biomasa, kaly z ČOV, fermentace ÚVOD Pod pojmem palivo z biomasy si lze představit různé substráty. Díky tradici patří výsadní místo dřevu, ve všech jeho podobách. Vedle něj existuje však celá řada přirozeně se vyskytujících biologických substrátů, které jsou bohaté na energii a můžeme je s úspěchem využít jako palivo. Jedná se o různé vedlejší výrobky nebo odpady ze zpracování biomasy. Předpokladem k výrobě tzv. směsných biopaliv s obsahem odpadů je odpovídající technologické zpracování. Linka, na které se z odpadů úspěšně vyrábí multikomponentní biopalivo využívá metody termofilní aerobní fermentace. Komponenty pro výrobu biopaliva VÝROBA BIOPALIVA K výrobě biopaliva se dají použít různé biologické substráty. Komponenty mohou mít rozdílný původ, ale do paliva už vstupují jako suroviny. Tak je to např. u energetické štěpky, ale i kalů z ČOV, byť budou v režimu odpadů, které jsou výhodné z hlediska záporné ceny. Specifika použití odpadů v biopalivu Pokud odpadní biomasa jako vstupní surovina může ohrozit zdraví lidí nebo potravinový řetězec, musí se substrát a palivová směs posuzovat jako podmíněně patogenní. Přitom není rozhodující, zda je patogen v substrátu skutečně zjištěn či nikoliv. Typickým představitelem patogenních substrátů jsou kaly z komunálních ČOV. Ty mohou být patogenní díky přítomnosti virů a bakterií, plísní, prvoků a parazitických červů. Zvolená technologie musí umožňovat nejen biologickou stabilizaci palivové směsi, ale také zajistit hygienizaci. Jakostní kritéria biopaliva při hodnocení paliv: NĚKTERÉ JAKOSTNÍ POŽADAVKY NA BIOPALIVA Energetický obsah a jeho využitelnost: Směsné biopalivo je směsí několika substrátů, z nichž nejdůležitější jsou nositelé energie v podobě uhlíku a vodíku. Celkové množství substrátů ve směsi ovlivňuje energetickou hodnotu paliva. Jako vedlejší vhodný substrát (např. kal z ČOV) se používá pro jeho zušlechťující nebo doplňkové vlastnosti. Také jde současně o vlastnosti, které pozitivně ovlivňují technologické, uživatelské a ekonomické parametry výsledného paliva. Jedná se zpravidla o odpady, které ve směsi ovlivňují její zpracovatelnost a tvarování. Ekonomický přínos doplňkových substrátů spočívá v jejich záporné ceně, se kterou vstupují kalkulace výrobních nákladů palivové směsi. V konečném důsledku to má vliv na jednotkovou cenu biopaliva a její konkurenceschopnost vůči fosilním palivům. Ing. Anna Cemerková, VŠB-TU Ostrava, 17.listopadu 15, Ostrava-Poruba, cemerkova@email.cz - 15 -
Zdravotní nezávadnost při výrobě, manipulaci a energetickém využití: Zdravotní nezávadnost paliva se posuzuje z hlediska: obsahu patogenů v substrátech použitých k výrobě palivových směsí, druhotné kontaminace vyrobeného paliva při jeho skladování, dopravě a manipulaci, obsahu škodlivých a sledovaných látek v emisích. Obsah patogenů ve vstupních substrátech se musí předpokládat vždy při použití směsi kalů z ČOV. Proto směsi s obsahem kalů musí projít procesem hygienizace, který spolehlivě usmrtí struktury schopné ohrozit zdraví lidí nebo vstoupit svými negativními vlastnostmi do potravinového řetězce. Ideálním řešením pro hygienizaci palivové směsi je termofilní aerobní fermentace. Možnost druhotné kontaminace paliva souvisí se stupněm stabilizace paliva a obsahem sušiny. Čím vyšší vlhkost paliva, tím větší možnost sekundárního osídlení mikroorganismy z volného prostředí. Vizuálně je jedním z projevů kontaminace nárůst plísní na palivu. Zkušenosti ukazují, že tvarované palivo s obsahem vody pod 10 % lze považovat za stabilní. Tak nízké vlhkosti lze dosáhnout umělým dosušováním, což je ekonomicky nákladné. Pokud se pracuje s granulovaným palivem bez dosušování, pak je výsledná vlhkost cca 20 %. Palivo s touto vlhkostí není určeno k dlouhodobému skladování. Rovněž není vhodné toto palivo skladovat v zásobnících, kde může docházet ke kondenzaci vzdušné vlhkosti. Palivová směs volně sypaná bez umělého dosušování má zpravidla vlhkost cca 30 %. Tato forma paliva je vhodná ke kontinuálnímu spalování v energetickém zařízení a to v kotlích s fluidní vrstvou. Její největší předností jsou nízké výrobní náklady. Zbytky po spálení a jejich využití: V emisních plynech nejsou živé patogeny. Obsah škodlivých a sledovaných látek v emisích bezprostředně souvisí se vstupními hodnotami těchto látek v biopalivu, technologií spalování, okamžitými provozními parametry energetického zdroje a se stupněm čištění spalin. Limitní hodnoty upravuje zákon č. 86/2002 Sb. o ochraně ovzduší v platném znění a související předpisy. Zbytky po spalování popeloviny - podléhají režimu nakládání s odpady v souladu s obsahem sledovaných látek. Taktéž neobsahují živé patogeny. STABILIZACE, HYGIENIZACE A HOMOGENIZACE PALIVOVÉ SMĚSI Pokud se vyrábí palivová směs z biologicky aktivních substrátů odpadů, je nutné zabezpečit jejich biochemickou stabilizaci. Jedná se o stejný princip, jako při výrobě kompostu, ale mnohem intenzivnější. Působením mikroorganismů za přístupu vzdušného kyslíku dochází k aerobní stabilizaci zakládky. Jsou-li do palivové směsi použity kaly z ČOV, musí být zabezpečena jejich hygienizace. Tzn., že v zakládce by se měly usmrtit patogenní mikroorganismy. Toho se dosáhne v prostředí s probíhající termofilní aerobní fermentace. Tato fáze přímo navazuje na stabilizaci a často se obě fáze prolínají. Jejich zásadní odlišnost spočívá v teplotách zakládky. Termofilní reakce je iniciovaná celou skupinou mikroorganismů, které ke svému metabolismu vyžadují vzdušný kyslík. Při bouřlivém nástupu termofilní reakce se teplota zvýší až na 70 C. Vysoká teplota a doba jejího působení na zakládku určují rychlost fermentace. Intenzivní provzdušňování udržuje vysokou teplotu tak, aby došlo postupně k hygienizaci směsi. Při procesu hygienizace dochází k žádoucímu odpařování vody. Snižuje se tak obsah vody, což zvyšuje energetickou hodnotu vyrobeného paliva. Působení teploty a probíhající biochemické reakce přirozeně působí na žádoucí homogenizaci zakládky. Tímto způsobem se přetváří postupně jednotlivé substráty zakládky do podoby palivové směsi. Vyrobená směs se může granulovat nebo může být použita jako palivová směs volně sypaná. Dle potřeby může být směs před granulací uměle vysušena nebo se uměle dosuší vyrobené granule. Vše závisí na časovosti v dalším využití granulí. RECEPTURY Rozdíly mezi recepturami ovlivňují jednotlivé vstupní substráty a jejich vlastnosti. Hlavním požadavkem pro vyráběné biopalivo na správný chod kotelní jednotky je palivo o vyrovnaných parametrech i při různých - 16 -
substrátech. Typová receptura je součástí schvalovacího procesu k energetickému využití biopaliva. Výchozími hledisky pro návrh receptury jsou: Forma paliva (volně sypané nebo granulované) Výhřevnost, popel a voda v palivu Limitní konkurenceschopná cena vůči tradičnímu palivu Formu paliva ovlivňuje zejména typ kotelní jednotky, kde se bude vyrobené palivo energeticky využívat. Např. volně sypané palivo má až 4x větší objem než granule. Tomu musí odpovídat především dopravní cesty ke kotli, skladovací prostory na palivo, dopravní podmínky a vzdálenost výrobce paliva od kotelní jednotky. V případě nutnosti skladovat vyrobené palivo ve větších objemech je třeba uvažovat o palivu granulovaném. Výhřevnost ovlivňují energeticky bohaté substráty. Podle dostupnosti a ceny biomasy, poměrem mezi nakupovanou cenou a cenou zápornou (za likvidaci a využití odpadu) je možné vyrábět buď palivo bohaté energií cca 15 MJ/kg nebo chudé cca 10 MJ/kg. KALY A OSTATNÍ BIOLOGICKY ROZLOŽITELNÉ ODPADY Kaly z ČOV jsou specifickým substrátem, který se používá jako předepsaná součást do vícesložkového biopaliva. V typových recepturách dosahuje jejich obsah až 30 % hmotnosti zakládky. Jedná se proto o významnou složku palivových směsí. V palivu působí kaly jako tmel, který váže jednotlivé složky a spoluvytváří na vyrobených granulích uzavírací vrstvu. Sleduje se: obsah těžkých kovů, sledovaných látek a nespalitelných frakcí, obsah vody, výše poplatku za využití, dostupnosti v krajině, dosavadních zvyklostí ve využívání kalů, perspektivy v odpadové koncovce a rozvoji čištění komunálních splaškových vod. Nespalitelné frakce tvoří písek a hlinitany. V palivu působí jako balast a zhoršují zpracovatelnost palivové směsi a energetickou hodnotu paliva. Naopak ve fluidních kotlích mohou tyto frakce sehrát svou pozitivní roli. Obsah sušiny v kalech je výsledkem technologického vybavení ČOV. Pro orientaci je možné uvažovat s obsahem vody do 70 %. TABULKOVÁ ČÁST ANALÝZA FERMENTACE A BIOPALIVA Ze substrátů vstupujících do palivové směsi jsou nositeli těžkých kovů především kaly. Vedle toho kaly vnášejí do směsi určitý podíl nespalitelných látek, které se chovají inertně. Nechtěný vysoký obsah vody se může částečně odstranit manipulací se zakládkou (překopávání) - zvýšeným odparem vodní páry. Jinou možností jak dosáhnout optimální vlhkosti je kombinace jednotlivých druhů substrátů, ale radikální snížení vlhkosti je možné pouze umělým dosoušením. Chemické složení popílku po spalování předurčuje další nakládání s ním. Může být využitý jako druhotná surovina, např. ve stavebnictví. Nakládání s popílkem v režimu odpadů se řídí rozborem vodního výluhu dle Vyhl. 383/2001 Sb. o nakládání s odpady. PRAKTICKÉ VYUŽITÍ BIOPALIVA V OPAVĚ KYLEŠOVICÍCH Výroba biopaliva byla realizována na fermentační lince fy Agro Eko. Jako základ pro stanovení receptury byly použity odpady z údržby zeleně ve městě Opava. Jako vsázka do receptury byly dále použity kaly z ČOV a řepková sláma (tab.č.1). Palivo bylo použito pro vlastní spalovací zkoušku v granulovaném i sypkém stavu. - 17 -
Tab. 1 Složení biopaliva Složení (%) Kaly ČOV Opava 18,00 Sláma řepková (SEKO) 10,41 Tráva 33,34 Štěpka 14,72 Listí 23,53 Celkem 100,00 Pro spalovací zkoušku byla využita kotelna firmy Opatherm v Opavě Kylešovicích, kde jsou instalovány 2 fluidní kotle fy Kovosta Fluid o výkonech 2 MW. Standardním palivem pro tyto kotle je hnědé uhlí hruboprach. Spalovací zkouška a měření emisí Vlastní technologická zkouška proběhla dne 30.3. 2004 ve třech režimech: 1. 50 %hm uhlí : 50 %hm biopalivo 2. 30 %hm uhlí : 70 %hm biopalivo 3. 100 %hm biopalivo Pro měření emisí se spalovalo čisté biopalivo (režim C) v granulovaném stavu dle povolení ČIŽP, neboť nebyl předpoklad bezproblémového spalování a dávkování sypaného biopaliva pro kotel v neseřízeném stavu. Další režimy A a B byly směs biopaliva se standardním palivem hnědým uhlím hruboprach. Pro režimy A a B bylo zvoleno palivo v sypaném negranulovaném stavu, aby byla zjištěna technologická průchodnost spoluspalování biomasy s uhlím. Biopalivo a spalovací zařízení bylo posuzováno z hlediska měření emisí jako zařízení spalující biomasu. Stanovení emisních limitů se provádělo dle přílohy č. 4352/2002 Sb. a měření těžkých kovů v emisích dle vyhlášky č. 356/2002 Sb. 17 odst. 2 písm. a. Výsledky měření emisí Výsledky měření emisí biopaliva na fluidním kotli fy Kovosta fluid prokázaly plnění emisních parametrů platných dle Nařízení vlády č. 352/2002 Sb. pro zařízení spalující dřevo nebo biomasu. Po vyhodnocení a porovnání emisních hodnot standardního paliva (hnědé uhlí) a biopaliva naměřené na daném zařízení vyplývá, že emisní hodnoty biopaliva jsou lepší nebo srovnatelné. Pouze hodnota CO vychází pro biopalivo vyšší. To by se mohlo vyřešit seřízením kotle pro dokonalejší spalování. Výsledky měření zbytků po spalování biopaliva Popílek byl analyzován dle vyhlášky MŽP č. 383/2001 Sb. Z uvedených rozborů vyplývá, že popílek je možno zařadit do třídy vyluhovatelnosti II., tzn. že daný odpad je možno podmíněně využít i na rekultivační účely. - 18 -
Tab. 2 Vlastnosti paliva chemický rozbor. Složení: kaly 40%, sláma řepková 60%, typ paliva volně sypané 19.1.2004 Vzorek v dodaném stavu Sušina Hořlavina Voda celková % 22,32 Popel % 7,46 9,60 Hořlavina % 70,22 90,40 100,00 Celkem 100 Spalné teplo kj/kg 13895 17 887 20342 Výhřevnost kj/kg 12529 16789 19094 Vodík % 4,14 5,328 6,06 Uhlík % 31,99 41,188 46,84 Dusík % 1,20 1,546 1,76 Kyslík % 32,54 41,88 46,33 Síra % 0,35 0,454 0,52 Tab. 3 Složení: kaly 24%, sláma řepková 16%, dřevní štěpka 18%, listí 42%, typ paliva granule 12 mm 19.1.2004 Vzorek v dodaném stavu Sušina Hořlavina Voda celková % 19,96 Popel % 31,43 39,27 Hořlavina % 48,61 60,73 100,00 Celkem 100 Spalné teplo kj/kg 10 022 12 521 20 617 Výhřevnost kj/kg 8931 11 732 19 319 Vodík % 3,06 3,829 6,30 Uhlík % 25,66 32,053 52,78 Dusík % 1,54 1,925 3,17 Kyslík % 18,01 22,50 37,05 Síra % 0,34 0,423 0,70 ZÁVĚR Uvedená komplexní spalovací zkouška biopaliva vyrobeného z komponent bioodpadů z údržby zeleně a kalů z ČOV je první zkouška provedená na reálném zařízení v běžných provozních podmínkách v ČR. Zkouška prokázala praktickou možnost spalování biopaliva vyrobeného fermentační technologií na daném fluidním kotli. Veškeré rozbory v závěrečné zprávě potvrzují reálné možnosti prosazení certifikace biopaliva a jeho následné standardní spalování v uvedeném zařízení. Příspěvek vznikl v rámci řešení projektu GAČR č. 101/03/H064 Energie z biomasy. POUŽITÁ LITERATURA KOVAŘÍK, R. (2004): Příprava alternativního paliva pro fluidní kotel v Opavě, výsledky provozních zkoušek, 4. mezinárodní konference ODPADY 21, Ostrava, ISBN 80-239-2944-5, s. 104-105. HOLUŠA Václav, HŮRKA Miroslav (2004): Zařízení k výrobě biopaliva metodou aerobní fermentace biomasy, firemní dokumentace, s.13. - 19 -
- 20 -