W artykule przedstawiono koncepcję wytwarzania ciepła na bazie nowoczesnych paliw alternatywnych spalanych w kotle. Nowoczesne paliwa alternatywne są wytwarzane w postaci peletów oraz gazu ze zgazowania węgli kamiennych i odpadów komunalnych. Przedstawiono własności otrzymanych paliw alternatywnych oraz koncepcję ich zastosowania w procesie wytwarzania ciepła.

Paliwo – alternatywnie

Opracowano technologię produkcji nowoczesnych alternatywnych paliw [1, 2] z mieszanki węgla kamiennego typu MII i odpadu komunalnego innego niż niebezpieczny, jakim jest odpad o kodzie 19 08 05 ustabilizowane komunalne osady ściekowe. Wytworzone osady ściekowe to przykry efekt procesu oczyszczania ścieków.

Według danych GUS w 2012 r. ilość komunalnych osadów ściekowych wytworzonych w Polsce wyniosła ponad 500 tys. Mgs.m. Z kolei prognozowana, wg Krajowego Planu Gospodarki Odpadami (KPGO) w 2016 r. ilość suchej masy komunalnych osadów ściekowych osiągnie poziom 642,4 tys. Mg i będzie wykazywać tendencję wzrostową w kolejnych latach. Tak duża masa osadów będzie stwarzać ogromne problemy w ich zagospodarowaniu. Problem unieszkodliwiania komunalnych osadów ściekowych ma trzy aspekty: ilościowy, jakościowy, wynikający ze specyficznych właściwości, jakimi charakteryzują się te odpady oraz prawny.

Szacuje się, że objętość powstających osadów ściekowych stanowi około 2% oczyszczanych ścieków i zawiera ponad połowę ładunku zanieczyszczeń dopływających wraz ze ściekami do oczyszczalni. Jednostkowy średni wskaźnik osadów powstających w polskich oczyszczalniach ścieków komunalnych wynosi  0,247 kgs.m./m3 oczyszczonych ścieków. Osady charakteryzują się zróżnicowanym stopniem zagrożenia sanitarnego, a największym obarczone są osady surowe wstępne, gdyż zawierają organizmy chorobotwórcze, takie jak: bakterie, wirusy, robaki pasożytnicze, grzyby, pierwotniaki, grzyby pleśniowe i drożdże.

TAB. 1 Wyniki badań zawartości wilgoci w osadzie

 

Komunalne osady ściekowe z uwagi na swoje właściwości fizykochemiczne oraz zagrożenia, jakie mogą stwarzać dla zdrowia ludzi oraz środowiska naturalnego, muszą być poddawane odpowiedniej przeróbce, a następnie odpowiednio zagospodarowane. Aktualnie w większości używanych sposobów zagospodarowania komunalnych osadów ściekowych jest ich składowanie, mimo że nie należy do rozwiązań preferowanych. Implementacja dyrektywy Unii Europejskiej [3] do polskiego prawodawstwa, na mocy rozporządzenia M.G. i P. [4], wprowadziła od 1 stycznia 2016 r. całkowity zakaz składowania komunalnych osadów ściekowych o określonych parametrach (całkowity węgiel organiczny (TOC) > 5% s.m., strata prażenia (LOI) > 8% s.m. oraz ciepło spalania > 6 MJ/kg).

Jednocześnie dyrektywa Unii Europejskiej [5] znacznie ogranicza wykorzystanie komunalnych osadów ściekowych w celach rolniczych i przyrodniczych, przede wszystkim ze względu na limit zawartości metali ciężkich. Taki stan rzeczy powoduje, iż najczęściej stosowane do tej pory rozwiązania w zakresie zagospodarowania komunalnych osadów ściekowych przez ich składowanie nie mają już racji bytu. W tej sytuacji na znaczeniu zyskują termiczne procesy unieszkodliwiania, które należą do metod najbardziej radykalnych z uwagi na możliwość znacznej redukcji masy i objętości komunalnych osadów ściekowych.

Jednocześnie pozwalają one na wykorzystanie zawartej w osadach energii i ograniczenie emisji CO₂ zgodnie z zasadami zrównoważonego rozwoju. Cytując Krajowy Plan Gospodarki Odpadami (KPGO), można stwierdzić, że w Polsce dynamiczny rozwój metod termicznego przekształcania jest nieunikniony i szacuje się, że w 2018 r. termicznie przekształcanych będzie ponad 420 tys. Mg osadów.

RYS. 1 Zależność czasu trwania separacji  i częstotliwości drgań stołu wibracyjnego od masy separacji wilgoci z osadu

 

W związku z tym, potrzebą chwili staje się poszukiwanie i wdrażanie nowych metod zagospodarowania osadów, ze szczególnym uwzględnieniem przetwarzania pozwalającego na odzysk energetyczny i materiałowy, co jest zgodne z polityką ekologiczną państwa oraz zasadami zrównoważonego rozwoju.

Procesy termicznego przekształcania odpadów są stosowane w coraz szerszym zakresie, a wśród nich zdecydowanie dominują metody spalania lub współspalania. Wytworzone paliwa zastosowane mogą być w procesie wytwarzania ciepła przez spalanie w kotłach węglowych [6, 7, 8, 9].

FOT. 2 Stół wibracyjny do badań osuszania osadów ściekowych (fot. zasoby autora)

 

W energetycznym wykorzystaniu odpadu o kodzie 19 08 05 ustabilizowane komunalne osady ściekowe bardzo ważnym parametrem jest stabilność właściwości, która decyduje o efektywności procesu spalania. Dużym problemem w termicznym przekształcaniu komunalnych osadów ściekowych jest ich wysokie uwodnienie, które w przypadku osadów surowych wynosi ponad 99%, a dla osadów odwodnionych mechanicznie – od 80-65%. Osady jako surowiec energetyczny są tym lepsze, im są suchsze. Dlatego kluczowe jest pozbycie się z nich możliwie jak największej ilości wody.

Komunalne osady ściekowe przy zawartości suchej masy 20÷30% mogą być spalane tylko przy współudziale paliwa dodatkowego, dopiero po częściowym wysuszeniu mogą spalać się autotermiczne. Wysuszenie osadów do około 20%, pozwala na ich wykorzystanie w procesach termicznego przetwarzania z węglem kamiennym w paleniskach kotłów przemysłowych (w elektrowniach i elektrociepłowniach) oraz procesach wysokotemperaturowych sprzyjających termicznej degradacji odpadów. Dlatego kluczowym elementem planowanych instalacji do termicznego unieszkodliwiania osadów ściekowych jest specjalne urządzenie, którego zadaniem będzie zmniejszenie zawartości wody w osadach.

RYS. 2 Urządzenie do osuszania osadów ściekowych

 

Metodyka badań osuszania osadów ściekowych

Znane są różne urządzenia do osuszania osadów. Do mechanicznych należą prasy, wirówki oraz odmulacze. Do cieplnych – suszarki, wyparki i wymienniki ciepła. Urządzenia mechaniczne wymagają jednak dużego nakładu energii. Z kolei w przypadku osadników i odmulaczy występuje długi czas separacji z nich wilgoci. Natomiast urządzenia cieplne zużywają energię zawartą w paliwie, aby w ten sposób wytworzyć ciepło niezbędne do odparowania wilgoci z odpadu. Inspiracją dla stworzenia innowacyjnego urządzenia do osuszania osadów były stoły wibracyjne wykorzystywane do odwadniania betonu – to sprawdzona i powszechnie wykorzystywana w branży budowlanej technologia.

Wstępne badania mające na celu sprawdzenie i określenie możliwości uzyskania efektu zmniejszenia zawartości wilgoci w osadzie zostały przeprowadzone na laboratoryjnej wstrząsarce sitowej używanej do badań analizy sitowej materiałów sypkich.

Badania polegały na wyznaczeniu ilości odseparowania wody z osadu w zależności od czasu trwania próby i częstotliwości drgań płyty wibracyjnej dla założonej masy osadu ściekowego wynoszącej 250 g i o zawartości wilgoci 78%. Do badań przyjęto czas trwania próby t = 300, 600 i 1800 s oraz częstotliwości wibracji pokrywy 5 i 20 Hz. Na stół wibracyjny wstrząsarki przedstawionej na rysunku (1) zamontowano pokrywę z płaskim dnem (2), na której złożono odmierzaną ilość masy osadu ściekowego.

Po złożeniu na pokrywę założonej masy (250 g) osadu ściekowego ustalono częstotliwość drgań (5 lub 20 Hz) stołu oraz czas trwania próby (300, 600 lub 1800 s).

W tabeli 1 zamieszczono wyniki badań z przeprowadzonych prób.

Na wykresie (rys. 1), przedstawiono zależność czasu trwania separacji i częstotliwości drgań stołu wibracyjnego od masy separacji wilgoci z osadu.

Wstępne badania laboratoryjne wykazały możliwość separacji wilgoci z osadu ściekowego. Optymalnymi parametrami separacji wilgoci z osadu ściekowego były: częstotliwość drgań stołu wibracyjnego 20 Hz i czas trwania próby 1800 s. Dla tych parametrów uzyskano zmniejszenie zawartości wilgoci w osadzie z 78 do 39% oraz masy osadu z 250 do 128 g.

Po przeprowadzonych wstępnych próbach laboratoryjnych wykonano próby techniczne na stole wibracyjnym do wytwarzania płyt betonowych produkcji ZPHU WIBET, przedstawionym na fot. 2.

Przeprowadzono próbę odseparowania wilgoci z osadu o masie mo = 300 kg i zawartości wilgoci 78%, z częstotliwością 15 Hz i czasie wibracji 3000 s. Po przeprowadzonej próbie uzyskano masę osadu  m1 = 171 kg i zawartości wilgoci 33%.

Koncepcja konstrukcji urządzenia do osuszania osadów ściekowych

Na podstawie przeprowadzonych badań przemysłowych w skali laboratoryjnej opracowano koncepcję urządzenia do osuszania osadów ścieków komunalnych i przemysłowych. Urządzenie przedstawione na fot. 2, wyposażone jest w lej zsypowy (1), do którego załadowywane są uwodnione osady ścieków komunalnych i przemysłowych. Lej stanowi zbiornik do czasowego magazynowania osadu. Lej od dołu wyposażony jest w prostokątne zamknięcie z automatycznym zaworem, który dozuje porcjami osad opadający grawitacyjnie na ruszt posuwisty (3). Dozowanie porcji osadu uzależnione jest od zawartości wilgoci (wody) w osadzie. Im zawartość wilgoci jest wyższa, tym dozowana porcja osadu mniejsza. Ruszt wprawiany jest w ruch posuwisty za pomocą silnika (11). Prędkość rusztu regulowana jest w zakresie od 0,2-10 m/s. Im zawartość wilgoci jest wyższa, tym prędkość rusztu niższa. Ruszt posuwisty zamontowany jest do stołu wibracyjnego (4). Stół wibracyjny wraz z rusztem za pomocą elektromagnesów (5) i sprężyn śrubowych wykonuje drgania o wysokiej częstotliwości od 2 do 30 Hz. Drgania powodują, że z osadu (ze swojej powierzchni i objętości) umieszczonego na ruszcie i stole uwalnia się ze swojej powierzchni i objętości dużą ilość wilgoci w postaci kropel wody. Częstotliwości drgań stołu z rusztem uzależniona jest od zawartości wilgoci w osadzie. Im zawartość wilgoci jest większa, tym częstotliwość drgań jest wyższa.

Konstrukcja urządzenia wyposażona jest w tunel odciągowy (2), w którym zainstalowane są ruszt wraz stołem wibracyjnym, magnesami i sprężynami. W tunelu panuje duże podciśnienie do 10 hPa. Podciśnienie w tunelu wytworzone jest za pomocą wentylatora (12) ciągu powietrza. Wentylator ciągu powietrza, poprzez hydrocyklon (7) połączony jest z tunelem odciągowym za pomocą króćca elastycznego (6). Zasysany strumień powietrza przez wentylator porywa znad powierzchni osadu krople wody. Krople wody wytrącane są z powietrza w hydrocyklonie.

Woda z hydrocyklonu grawitacyjnie po odseparowaniu z powietrza opada do zbiornika wody (8), a osuszone powietrze po oczyszczeniu w biofiltrze z substancji odorowych i złowonnych emitowane jest do atmosfery. Oczyszczanie substancji odorowych i złowonnych następuje na powierzchni kory drzew liściastych. Emisja do powietrza odbywa się z emitora biofiltra. Z urządzenia wysuszony o zawartości wilgoci (wody) do max. 25% wag. osad opada grawitacyjnie do wózka odbiorczego (9). Wysuszony osad jest kierowany na linię produkcji paliwa alternatywnego z osadu z węgla kamiennego.

Urządzenie zostało zgłoszone w Urzędzie Patentowym RP [10]. Urządzenie, według wynalazku, posiada cechy i funkcjonalność wyróżniające je co najmniej w skali kraju w oparciu o unikatowe atrybuty przydatne do technologii produkcji alternatywnego paliwa energetycznego w postaci peletów, brykietów lub gazu wytworzonego ze zgazowania czy pirolizy osadów ścieków komunalnych i/lub przemysłowych.

Zastosowanie urządzenia łączącego procesy suszenia i termicznego unieszkodliwiania (spalanie, zgazowanie lub piroliza) osuszonych osadów, umożliwi w optymalny sposób wytworzyć alternatywne paliwo energetyczne pozwalające na zasilanie zespołu kogeneracyjnego do wytwarzania energii elektrycznej i ciepła. Urządzenie może być zastosowane bezpośrednio w węźle jego powstawania na terenie oczyszczalni ścieków, bądź na terenie ciepłowni lub instalacji unieszkodliwiania odpadów.

Fot. BMP