Optimální volba kalové koncovky a výhody nízkoteplotního sušení Karel Hartig 1) a Josef Kutil 2) 1) HYDROPROJEKT CZ a. s., Táborská 31, 140 16 Praha 4 2) CENTRIVIT spol. sto., agency of ANDRITZ S.A.S. and ANDRITZ Separation GmBH, Urxova 9, 186 00 Praha 1
Obsah přednášky 1. Úvod 2. Bilance stabilizovaných kalů 3. Stabilizace kalů 4. Hlavní možnosti využívání stabilizovaných kalů 5. Sušení kalů 6. A co s vysušeným kalem? 7. Souhrn 2
Úvod Kalové hospodářství je nedílnou součástí každé čistírny odpadních vod Zatímco biologicky vyčištěná odpadní voda odtéká do recipientu, produkovaný kal je nutné stabilizovat a následně někam umístit v souladu s platnou legislativou Možnosti, co dále udělat se stabilizovaným kalem se stávají ekonomicky stále náročnější Problematika nakládání s kaly čeká v EU i v ČR na zásadní novelu Postupným útlumem skládkování se konečná likvidace stává stále větším problémem, přičemž se stále hledá řešení, Kalokkteré bude vyhovovat jak z technicko ekonomického hlediska, tak bude i akceptováno veřejností 3
Bilance stabilizovaných kalů 4
Souhrnná kalová bilance Produkci kalů nelze zabránit Požadavky na vyšší kvalitu vypouštěné vody obvykle zvyšují množství produkovaných kalů. Teoretickou produkci kalu lze přibližně vypočítat na základě přivedeného znečištění a znalosti technologie čištění odpadních vod a stabilizace kalů Teoretická produkce nestabilizovaného kalu se pohybuje okolo hodnoty 56 g/ekvivalentního obyvatele a den Biologická stabilizace kalu snižuje jeho produkci, protože část organické hmoty se přemění na bioplyn, popř. se zoxiduje při aerobní stabilizaci Publikované údaje za rok 2010 dokumentují následující způsoby odstraňování kalů: přímá aplikace na půdu a rekultivace 60 639 t/sušiny.rok kompostování 45 528 t/sušiny.rok skládkování 6 177 t/sušiny.rok Spalování 3 336 t/sušiny.rok jinak 55 009 t/sušiny.rok Celkem 170 689 t/sušiny.rok 5
Souhrnná kalová bilance 6
Podmínky platné pro odstraňování kalů Pro odstraňování kalů nelze používat libovolné metody, protože použitelné metody odstranění stabilizovaných kalů musí splňovat různá kritéria. Hlavní kritéria lze shrnout do několika bodů: Použitá metoda musí plně vyhovovat platné domácí (i mezinárodní) legislativě v oblasti ochrany životního prostředí Použitá metoda musí být akceptována veřejností Použitá metoda by měla maximálně využívat energii a cenné látky z kalů za současné minimalizace nákladů a celkové potřeby energie Použitá metoda musí být po technické stránce spolehlivá a ekonomicky přijatelná Akceptovatelnost technologie zpracování kalů veřejností nelze opomíjet a v současnosti ovlivňuje především možnost použití spalování kalů a to bez ohledu na ekonomickou stránku použití této metody. Obdobný případ se týká i aplikace kalů na zemědělskou půdu. Nestačítotiž, aby stabilizovaný kal svým složením odpovídal platné legislativě, ale musí být ochoten jej někdo odebírat. 7
Stabilizace kalů 8
Hlavní metody stabilizace kalů Proces Před odvozem stabilizace kalů kalů z čistírny se nesmí odpadních zaměňovat vod s musíme procesem kaly hygienizace nejdříve stabilizovat kalů Před především odvozem s cílem kalů omezení z čistírny jejich odpadních zápachu, vod biologické musíme rozložitelnosti kaly nejdříve stabilizovat a především mikrobiálního s cílem oživení. omezení jejich zápachu, biologické rozložitelnosti a mikrobiálního Pro stabilizaci kalů oživení. máme kdispozici několik hlavních metod, jejichž použití Pro závisí stabilizaci jak na technologii kalů máme čištění kdispozici odpadních několik vod, hlavních tak i na metod, velikosti jejichž vlastní použití čistírny. závisí Oddělená jak na aerobní technologii stabilizace čištěníkalů odpadních vod, tak i na velikosti vlastní čistírny. Oddělená Termofilníaerobní stabilizace kalů Termofilní aerobní stabilizace kalů Se vzduchem S kyslíkem Anaerobní stabilizace kalů Při mezofilní teplotě Při termofilní teplotě 9
Přehled produkce bioplynu z jednotlivých zdrojů rok 2010 Počet zařízení na výrobu elektřiny Instalovaný elektrický výkon (kw) Hrubá výroba elektřiny (MWh) Vlastní spotřeba včetně ztrát (MWh) Dodávka do sítě (MWh) Přímé dodávky (MWh) Komunální ČOV 76 17 767 85 002,1 69 001,9 16 000,2 0 Průmyslové ČOV 9 1 349 4 971 4 295,2 675,8 0 Zemědělské bioplynové stanice 196 74 990 447 423,6 49 645,5 392 861,0 4 917,1 Skládkový plyn 84 23 778 97 265,3 9 214,3 87 971,0 80,0 Celkem 365 117 884 634 662,0 132 156,9 497 507,9 4 997,2 10
Hlavní možnosti využívání stabilizovaných kalů 11
Hlavní možnosti využití stabilizovaných kalů Recyklace stabilizovaných kalů Rekultivace skládek a přímé hnojení zemědělské půdy Kompostování a využití kompostů na zemědělské půdě Energokomposty a jejich následné spalování Destrukční metody Spalování odvodněného kalu Sušení kalu Spalování usušeného kalu Pyrolýza usušeného kalu Zplyňování usušeného kalu 12
Sušení kalů 13
Sušení kalů Existuje mnoho typů sušáren V současnosti se za nejlepší dají považovat pásové a fluidní sušárny Hlavní problémy sušáren Zamezení tvorby prachu Minimalizace ovlivnění procesu sušení klihovou fází Zamezení možnosti výbuchu při sušení a skladování úsušků Hitem poslední doby jsou nízkoteplotní sušárny, které využívají nízkokalorické teplo. Dosahují obvykle sušinu nad 85 % 14
Základní pojmy adhezní nebo smyková fáze (adhesion or shearing phase), tj. fáze, která existuje v rozmezí přibližně 40 % až 60% obsahu sušiny. Při této sušině čistírenský kal mění své reologické chování. V této fázi to je lepivá hmota, jejíž úpravě a přepravě je třeba věnovat zvláštní pozornost. konvekční sušárna (convection dryer), sušicí systém, kde je teplo na kal přenášeno plynným médiem, které je vpřímém kontaktu skalem kondukční sušárna (conduction dryer), sušicí systém, kde je teplo přenášeno na kal přenosem tepla zpovrchu 15
Fluidní sušárny Fluidní sušárny jsou nepřímo vyhřívané sušárny Princip fluidní sušárny je založen na přivádění turbulentně proudícího vzduchu/plynu, dokud se nevytvoří fluidní lože Ve fluidním loži jsou granule kalu intenzivně míchány a odpařená voda a prach jsou odváděny z lože pryč Energie potřebná k odpaření vody se dodává topnými trubkami, které jsou umístěny ve fluidním loži Velikost granulí je obvykle 1 5 mm a lze dosáhnout 95 % sušiny granulí Cirkulační plyn se skládá z plynů obsažených v kalu, lehce prchavých látek a obsah kyslíku v něm nepřesahuje 3%. Tím je zajištěna auto inertizace se zabezpečením proti výbuchu a vzniku požáru. Cirkulační plyny se před vrácením zpět do sušárny zbavují prachu v cyklónu a vodní páry v chladiči 16
Princip fluidní sušárny 17
Schéma fluidní sušárny 18
Pásové sušárny Pásové sušárny patřímezi konvekční sušárny Mohou sušit kal přímo přes adhezní fázi na sušinu cca 90 % Odvodněný kal se obvykle vytláčí pomocí trysek na pás ve formě nudliček Odvodněný kal musí být alespoň v pastovité formě, tj. obvykle nad 20 % Pásové sušárny obvykle zahrnují 2 pásy s různou rychlostí pohybu (0,5 a 0,1 m/min) V současné době převládá použití nízkoteplotních sušáren, u kterých se udržuje konstantní teplota vzduchu Pásové sušárny mají vynikající flexibilitu k získání proměnného obsahu sušiny v usušeném kalu Nízkoteplotní sušárny mohou mít problémy při dosažení sušiny kalu nad 85 % 19
Pásová sušárna 20
Pásová sušárna 21
Přívod kalu na pás sušárny 22
Požadavky na tepelnou energii Na odpaření jedné tuny vody za normálního tlaku je teoretická spotřeba energie 627 kwh. Dalších 93 kwh na ohřev vody ze 20 C na 100 C a 14 kwh na ohřev tuhého materiálu. Přímé tepelné ztráty představují o něco více než 100 kwh, 20 % povrchem sušárna a 80 % vzhledem kpřeměně energie. Je známo, že ztráty kouřovými plyny mohou dosáhnout 30 % a 40 % přiváděné energie. V moderních zařízeních mohou být tyto ztráty značně sníženy recirkulací, a průměrná spotřeba tepla je okolo 930 kwh/t H 2 O. 23
Požadavky na tepelnou energii sušáren Diskové sušárny: 855 až 955 kwh/t H 2 O Lopatkové sušárny: 800 až 885 kwh/t H 2 O Tenkovrstvé sušárny: 800 až 900 kwh/t H 2 O Pásové sušárny: 950 až 1140 kwh/t H 2 O Přímé bubnové sušárny: 900 až 1100 kwh/t H 2 O Kombinované sušárny: 950 až 1050 kwh/t H 2 O 24
Požadavky na elektrickou energii Při sušení čistírenského kalu slouží požadovaná elektrická energie primárně na pohánění sušicího zařízení. Navíc zde existuje mnoho podpůrných jednotek, např. na přepravu čistírenského kalu, úpravu odpadních par nebo pro zařízení kotle. Spotřeba pro celý systém se pohybuje mezi 70 kwh/t H 2 O a 110 kwh/t H 2 O odpařené vody. S vyšším obsahem vysušeného čistírenského kalu zásadním způsobem narůstají nároky na elektrickou a tepelnou energii. 25
Reálné údaje fluidní a pásové sušárny Na konkrétní nabídce fluidní sušárny byly získány následující hlavní parametry spotřeby energií: Potřeba tepelné energie 822,7 kwh/t odpařené vody Průměrná spotřeba elektrické energie 85,1 kwh/t odpařené vody Množství provozní vody 20,4 m 3 /t odpařené vody Množství odpadní vody 21,3 m 3 /t odpařené vody Na konkrétní nabídce pásové sušárny byly získány následující hlavní parametry spotřeby energií: Potřeba tepelné energie 899,6 kwh/t odpařené vody Průměrná spotřeba elektrické energie 61,8 kwh/t odpařené vody Množství provozní vody 32,6 m 3 /t odpařené vody 26
A co s vysušeným kalem? Řešenínabízízplyňování kalů Zplyňování je tepelně chemický proces, který využívá teplo k převedení obsahující uhlík paliva na plyn rovněž určený pro spalování. Vznikající plyn se běžně označuje jako syntézní plyn syngas. Při zplyňování je množství vzduchu dodávaného do zplyňováku pečlivě řízeno tak, že jen malá část paliva hoří úplně, přičemž se vyvine dostatečné teplo, aby se zbytek paliva prostřednictvím pyrolýzy a chemického rozkladu přeměnil na syntézní plyn a popel. Syntézní plyn se skládá především z oxidu uhelnatého, vodíku a metanu, také však při pyrolýze vypařených kapalin a uhlovodíků. Principy zplyňování jsou známy více než 200 let. Zplyňování uhlí bylo rozšířeno během pozdního 18. století, kdy syngas byl palivem pro městské osvětlení a výrobu elektřiny. Dnes je zplyňování považována za jednu z univerzálních, efektivních a nejčistších metod, jak převést nízkonákladové uhlíkaté zdroje, jako jsou dřevěné zbytky, různá biomasa, organické kaly či uhlí na tepelnou a elektrickou energii. 27
A co s vysušeným kalem? 28
Princip zplyňování Zplyňování je komplexní proces, kterého se účastní celá řada reakcí. V obecném pohledu se jedná o čtyři základní pochody: sušení, pyrolýzu, redukci a oxidaci. Tyto procesy mohou probíhat postupně, např. v případě sesuvných generátorů anebo souběžně v případě fluidních generátorů 29
Porovnání spalování a zplyňování 1100 C kouřové plyny horní vzduch palivo padá na lože, míchá povrch Spalování vysoká rychlost Zplyňování 260 C syngas nízká rychlost teplota spalování není řízena spodní vzduch Kouřové plyny o teplotě 1100 C 3,5 4,0 g/kwh úlet částic Úplné spalování produkuje znečištěný teplý kouřový plyn řízená teplota spalování palivo přiváděno pod lože, klidný přívod spodní vzduch Syntézní plyn (syngas) o teplotě 260 C 0,15 0,17 g/kwh úlet částic Částečné spalování produkuje syntetický plyn pro oddělené spalování 30
Výhody zplyňování proti přímému spalování Výhody zplyňování proti přímému spalování za účelem výroby tepla a elektrické energie (při kogeneraci) jsou shrnuty níže: Dosažení větší konverze paliva na elektrickou energii (vyšší teplárenský modul). Úspora primárních paliv na jednotku výkonu. Nižší měrné provozní náklady na jednotku výkonu. Zmenšení technologického zařízení na jednotku výkonu. Převedení tuhého paliva s velikým měrným objemem na plynné palivo. Snadnější odstraňování hlavních škodlivin v plynné fázi. Při spalování čistých plynných paliv s dostatkem vzduchu nevznikají tuhé emise. Možnost dosažení vyšších teplot spalováním plynných paliv. Rovnoměrný ohřev velkých ploch plynnými palivy. Lepší regulace při spalování plynných paliv. Plynná paliva se dají přímo spalovat v tepelných strojích. Možnost využít různá alternativní paliva (RDF, REF, BRKO, OP apod.). Snížení produkce CO 2, SO 2, NOX a POP apod. na jednotku výkonu. 31
Typické složení plynu při procesu zplyňování čistírenských kalů Výhřevnost plynu se při autotermním zplyňování vzduchem pohybuje v rozmezí 2,5 8,0 MJ/m 3 32
Provozní jednotka zplyňování kalů 33
Souhrn Zvolená varianta nakládání s kalem z čistíren splaškových odpadních vod musí zamezit znečišťování ovzduší, vody a půdy Vzhledem ke komplexní ochraně životního prostředí by měla zamezit možnosti přenosu látek obsažených v kalu do potravinového řetězce a v neposlední řadě i zamezit možnosti kontaminace životního prostředí organickými rezidui Vzhledem k dlouhodobému charakteru produkce kalů a investiční náročnosti zařízení pro nakládání s kalem čistíren splaškových vod musí být zvolená metoda dlouhodobě použitelná a pro občany i akceptovatelná Sohledem na zamezení možnosti šíření různých nemocí, zpřísňujícími se požadavky EU na ukládání biologicky rozložitelných materiálů na skládky a v neposlední řadě sdůrazem na zpřísňující se požadavky na kal používaný vzemědělství a k rekultivacím, bude stále větší procento z produkovaných kalů nesplňovat příslušné legislativní požadavky 34
Souhrn V blízké budoucnosti nastane rozvoj v používání technologií na totální destrukci organické hmoty stabilizovaných kalů, které z různých důvodů nelze uplatnit v zemědělství a při rekultivacích. Sušení odvodněných kalů je nezbytnou předpravou kalů před jejich konečným odstraněním tepelnou destrukcí s výjimkou spalování pouze odvodněných kalů Sušení kalů navíc umožňuje diverzifikaci likvidace úsušků kalů různými metodami, takže producent usušených kalů nebude závislý pouze na jednom odběrateli. Tato nezávislost je zekonomického i technického a legislativního hlediska vítaná. Sušením kalu a následným energetickým využitím úsušků lze zvýšit procento využití energie obsažené v kalech Komplexní zpracování kalů z ČOV nabízí technologie zahrnující zplyňování usušeného vyhnilého kalu. Lze plně pokrýt energetické potřeby nezbytných procesů a produkovat elektrickou energii s možností dosažení soběstačnosti ČOV 35
Děkujeme za pozornost! 36