Suszenie słoneczne teoria i praktyka
Transkrypt
Suszenie słoneczne teoria i praktyka
Suszenie organicznych odpadów stałych przy użyciu energii słonecznej Dr Markus Bux Streszczenie Konwersja surowych osadów ściekowych na wartościowe, nadające się do powtórnego wykorzystania substancje stałe pochodzenia organicznego, wymaga odpowiedniej obróbki wstępnej. Jednakże tradycyjne technologie w tym zakresie odznaczają się wysokimi kosztami inwestycyjnymi i eksploatacyjnymi oraz dużym zużyciem energii; w przeciwnym razie nie spełniają wszystkich wymagań rynku. Jak wykazują ostatnie doświadczenia z największymi na świecie suszarniami, wykorzystującymi energię słoneczną lub wspomaganymi za pomocą energii słonecznej, mieszczącymi się w Palma de Mallorca w Hiszpanii i w Oldenburgu w Niemczech, wykorzystanie w suszarniach energii słonecznej stanowi efektywną alternatywę dla dużych instalacji. W tego rodzaju instalacjach, w porównaniu z tradycyjnymi suszarniami termicznymi, koszty suszenia i zużycie energii są ponad dwukrotnie mniejsze, koszty konserwacji są niskie, a eksploatacja jest prosta i bezpieczna. W porównaniu do suszarni tradycyjnych emisja dwutlenku węgla (CO2) jest siedmiokrotnie mniejsza. Przy wykorzystaniu ciepła odpadowego z innych procesów wymagania w zakresie zajmowanej powierzchni mogą być zmniejszone trzydo pięciokrotnie. Produkt końcowy nadaje się do wykorzystania jako paliwo w instalacjach do produkcji energii z odpadów, w elektrowniach węglowych lub w cementowniach. Może być on także wykorzystywany jako nawóz klasy A w rolnictwie lub gospodarce terenami zielonymi. Instalacja do suszenia osadów ściekowych przy użyciu energii słonecznej w Palma de Mallorca. Rysunek1 Wstęp W ciągu ostatnich dekad prace w zakresie oczyszczania ścieków zmierzały do wynalezienia nowych, wydajniejszych metod zbierania i oczyszczania wody przed jej uwolnieniem do środowiska. Procesy te nieuchronnie wytwarzają osad, w którym wszystkie zanieczyszczenia, patogeny i inne substancje niezdegradowane podczas procesu oczyszczania występują w postaci stężonej. Usuwaniu tych pozostałości poświęcano względnie niewiele uwagi. Obecnie sytuacja ulega zmianie, gdyż korzystne ponowne użytkowanie tego nieuniknionego produktu ubocznego jest obecnie postrzegane jako ważna pod względem ekonomicznym i ekologicznym część procesu oczyszczania ścieków. Osad ściekowy jest wilgotny, niezbyt gęsty, może zawierać znaczne ilości patogenów, zanieczyszczeń organicznych i metali ciężkich, a potencjalnie może być źródłem wielce niepożądanych zapachów. Powszechna praktyka zwykłego składowania nieprzerobionego osadu ściekowego na hałdach jest wobec tego coraz trudniej akceptowana. Dlatego też wymagane są dodatkowe etapy przeróbki w celu konwersji osadu ściekowego na wartościowe organiczne odpady stałe, które mogą być z pożytkiem ponownie wykorzystane [1]. Zawartość wilgoci, patogenów i przykry zapach muszą być odpowiednio zredukowane. Zwiększyć należy wartość opałową i stabilność biologiczną materiału. Co najważniejsze, materiał musi być bezpieczny, a także Widok z lotu ptaka największej na świecie suszarni osadów ściekowych wykorzystującej energię słoneczną w Palma de Mallorca (600 000 PE, 150 tys. m3/dzień). wygodny do manipulacji w celu minimalizacji kosztów transportu, które wciąż wykazują tendencję wzrostu, bądź to z powodu rosnących kosztów paliwa, bądź też z braku miejsc do usuwania odpadów w najbliższym sąsiedztwie. W zależności od składu, poddany odpowiedniej obróbce osad ściekowy może być wykorzystany jako paliwo do produkcji energii, jako nawóz do użytku w rolnictwie lub jako środek poprawiający żyzność gleby przy rekultywacji terenów. Jednakże wysokie koszty inwestycji, zużycie energii emisja CO2 i / lub ślad węglowy ograniczały szersze wykorzystanie tradycyjnych procesów obróbki osadów ściekowych, takich, jak suszenie termiczne, kompostowanie i inne [2]. W tym kontekście suszenie przy użyciu energii słonecznej lub niskotemperaturowe wspomagane suszenie przy Rysunek 2 wykorzystaniu energii słonecznej stanowią nowe, obiecujące alternatywy, nawet na obszarach o klimacie umiarkowanym do chłodnego, jaki występuje na terenie Niemiec [3, 4]. Dowodem tego stwierdzenia jest ponad 200 działających suszarni wykorzystujących energię słoneczną lub niskotemperaturowych wspomaganych suszarni słonecznych, zainstalowanych na całym świecie, w różnych obszarach klimatycznych. Jednak większość tych suszarni to małe zakłady [3], toteż wielu ekspertów wciąż wierzy, że suszarnie wykorzystujące energię słoneczną nie nadają się do pracy w dużych instalacjach. Dlatego w niniejszej pracy opisano najnowsze doświadczenia, uzyskane w największej na świecie suszarni wykorzystującej energię słoneczną w Palma de Mallorca (Hiszpania), oraz największej na świecie niskotemperaturowej wspomaganej suszarni słonecznej w Oldenburgu (Niemcy). Suszenie osadów ściekowych przy wykorzystaniu energii słonecznej Suszarnie słoneczne wykorzystują promieniowanie słoneczne i suszące możliwości otaczającego powietrza jako źródło energii termicznej [3]. Dlatego wymagany obszar instalacji zależy od warunków klimatycznych i może być względnie duży. Z drugiej strony jednak instalacja nie zużywa bezpośrednio paliw kopalnych. Co więcej, zużycie energii elektrycznej, wynoszące 20 do 40 kWh na tonę odparowanej wody, jest dwa do trzech razy mniejsze niż podawane w literaturze zużycie dla suszarni termicznych [2, 3]. Oznacza to redukcję śladu węglowego w warunkach klimatu umiarkowanego, jaki występuje w Niemczech, do zaledwie 24 kg CO2 na tonę odparowanej wody [5]. To mniej niż 15% typowej emisji 170 kg CO2 na tonę odparowanej wody z ogrzewanych gazem suszarni termicznych [6]. Obecnie największa suszarnia tego typu działa w Palma de Mallorca, w Hiszpanii. Instalacja ta została zaprojektowana dla przepustowości 600 000 równoważnej liczby mieszkańców (PE) lub około Suszarnia wykorzystująca energię słoneczną w Palma de Mallorca Całkowita powierzchnia: 20 000 m2˛ Wydajność: 600 000 EP Elektryczne krety do mieszania osadu: 24 maszyny Osad: 30 000 t/rok Zawartość suchej masy na wejściu: 15-25% SM 150 tys. m3/dzień (40 US MGD), i zajmuje obszar 20 000 m2 (215 000 ft2). Wystarcza to do wysuszenia niemal 50% osadu ściekowego wytwarzanego na całej wyspie (Majorce). Suszarnia została zamówiona przez hiszpańska firmę TIRME SA, która eksploatuje także ten zakład w imieniu Rządu Balearów. Zakład został zaprojektowany i zbudowany w latach 2007-2008 przez THERMO-SYSTEM GmbH z Filderstadt w Niemczech. THERMO-SYSTEM, z około 150 eksploatowanymi suszarniami i 15-letnim doświadczeniem w zakresie eksploatacji, jest obecnie liderem rynku w zakresie suszarni niskotemperaturowych. Polityczne i prawne naciski w kierunku zakazu stosowania osadów ściekowych w rolnictwie oraz rosnące koszty zagospodarowania osadu skłoniły klienta do budowy instalacji. Dziś najbardziej zanieczyszczone osady ściekowe z wyspy są suszone w suszarni słonecznej, a następnie wykorzystywane jako paliwo w instalacji do produkcji energii z odpadów (Waste-to-Energy WTE). Wartość opałowa suszonego osadu jest równoważna około 2 milionom litrów (530 000 galonów) oleju opałowego rocznie. Pomimo wymagań dotyczących zajmowanego obszaru, decyzja o wykorzystaniu energii słonecznej została podyktowana bardzo niskimi kosztami suszenia w tym procesie. Obecnie całkowity koszt suszenia na tonę odparowanej wody, wliczając nakłady kapitałowe, koszt energii i koszty eksploatacyjne wynosi mniej niż połowę kosztów oczekiwanych w przypadku suszarni termicznej. Jest to wynikiem niskich temperatur suszenia, od 10 do 40°C (50 do 104°F), dzięki czemu wymagane są mniej złożone urządzenia i mniejsze wymagania stawiane operatorowi. Niewielkie są także wymagania w zakresie konserwacji, gdyż jedynymi urządzeniami wchodzącymi w kontakt z osadem są maszyna do załadunku na wejściu instalacji oraz 24 “Krety elektryczne” (“Electric Moles®”) – małe autonomiczne maszyny do mieszania, napowietrzania i rozkładania osadu. Zastosowanie produktu: instalacja WTE Toteż ta część instalacji nie wymaga niemal żadnych prac konserwacyjnych. Ponieważ suszarnia w Palma jest instalacja regionalną, osad ściekowy jest transportowany do niej ciężarówkami z różnych zakładów oczyszczania ścieków. Każdego dnia roboczego ładowarka na wejściu instalacji rozładowuje wysuszony szlam z jednej z dwunastu komór Pozostałe maszyny, takie, jak wentylatory, klapy, czujniki i sterowniki PLC są zaprojektowane z długim okresem eksploatacji, z naciskiem na prostotę obsługi i konserwacji. Komory suszenia są wykonane z betonu i specjalnego gatunku szkła. suszenia. Komora ta jest natychmiast załadowywana ponownie 80 do 150 tonami wilgotnego osadu. Załadunek i wyładunek jest szybki, zajmuje łącznie mniej niż trzy godziny. Nadzór i konserwacja całej instalacji są proste i zajmują dziennie nie więcej niż jedną do dwóch godzin dla całego zakładu Załadunek wysuszonego osadu w suszarni słonecznej w Palma de Mallorca Rysunek 3 Promieniowanie słoneczne, Wh/m2 Promieniowanie słoneczne Temperatura powietrza Ilość osadu na wejściu/wyj ściu, t/tydzień Ś rednia temperatura, °C Rysunek 4 pokazuje wyniki pomiarów w Palma w roku 2009. Łącznie wysuszono około 27 000 ton osadu, zwiększając zawartość suchej masy z 19% do 72%. Jest to spowodowane o 6% niższą niż początkowo projektowano zawartością suchej masy w dostarczanym osadzie. Odpowiada to odparowaniu niemal 20 000 ton wody. Dane pogodowe oraz ilość osadu na wejściu i wyjściu suszarni słonecznej w Palma de Mallorca w roku 2009 Instalacja nie wymaga ciągłej obsady personelem. Pracownicy są potrzebni tylko podczas operacji załadunku i rozładunku. Jakiekolwiek usterki sprzętu nie stwarzają zagrożenia bezpieczeństwa ani nie wywierają znaczącego wpływu na proces suszenia. Woda nadal będzie parować z osadu, toteż natychmiastowe działania nie są na ogół konieczne. W razie wystąpienia usterki, może ona poczekać, aż personel pojawi się w zakładzie w kolejnym dniu, nawet, jeśli usterka wystąpiła podczas wolnego weekendu. Stanowi to ważną zaletę procesu wsadowego w porównaniu z procesem ciągłego suszenia, w którym każdy przestój redukuje wydajność do zera, toteż powinien być natychmiast zbadany. Buforowa pojemność komór suszących znacznie upraszcza logistykę. Transport osadu z różnych oczyszczalni ścieków do suszarni i z suszarni do zakładu WTE jest znacznie mniej skomplikowany niż w przypadku konwencjonalnej suszarni termicznej. W przypadku dostawy do suszarni słabo ustabilizowanego osadu, poszczególne komory suszące Rysunek 4 mogą być podczas pierwszego etapu suszenia podłączone do systemu wentylacji. Należy podkreślić, że wywiewowy system wentylacji nie jest wymagany, dopóki do zakładu dostarczany jest odpowiednio ustabilizowany osad. Jest to wynikiem działania systemu automatycznego sterowania klimatem, który utrzymuje osad w stanie chłodnym i natlenionym podczas krytycznej pierwszej fazy suszenia. Do chwili obecnej nie zanotowano pogwałcenia ograniczeń prawnych w zakresie emitowanego zapachu lub substancji. emisji innych “Instalacja nie wymaga ciągłej obsady personelem. Pracownicy są potrzebni tylko podczas operacji załadunku i rozładunku.“ Suszenie osadu ściekowego w suszarni słonecznej w Palma de Mallorca Rysunek 5 Niskotemperaturowe wspomagane suszenie osadów przy użyciu energii słonecznej Pomimo licznych zalet suszarni słonecznych – takich, jak niski koszt suszenia, niskie zużycie energii, prostota eksploatacji i niewielka emisja CO2 – suszarnie słoneczne maja dwie główne wady: 1. Wymagania dotyczące obszaru zajmowanego przez instalację zależą od warunków klimatycznych w danej lokalizacji. 2. Wydajność suszenia zmienia się w ciągu roku ze względu na zmiany pogody. Z tego powodu całkowita powierzchnia instalacji musi być wystarczająco duża, aby zapewnić wystarczającą pojemność buforową. Ma to szczególne znaczenie w chłodniejszym klimacie lub gdy dostępny obszar jest ograniczony. Jednakże, jeżeli dostępne jest ciepło z innych źródeł, wady te można przezwyciężyć. Dodatkowe ciepło, które nie może być wykorzystane w innych procesach, można w ekonomiczny sposób wykorzystać w suszarni słonecznej. Takim źródłem ciepła może być woda z układu chłodzenia silników, turbin lub procesów przemysłowych, albo z innego źródła ciepła. Jeżeli temperatura cieczy jest wyższa niż 40°C (104°F), możliwe jest wydajne wykorzystanie tego ciepła. Największa działająca obecnie niskotemperaturowa suszarnia osadów wspomagana energią słoneczną tego typu jest zlokalizowana w Oldenburgu, w pobliżu Bremy w północnych Niemczech. Słowa kluczowe: Suszenie Substancje stałe pochodzenia biologicznego Osad ściekowy Energia słoneczna Odpady Energia CO2 Niskotemperaturowa wspomagana suszarnia słoneczna Osad z kliku mniejszych oczyszczalni ścieków jest dostarczany do zakładu w Oldenburgu i suszony od początkowej zawartości suchej masy 15-30% do zawartości końcowej 60-70%. Obszar jedynie 6 000 m2 (64.500 stóp2) wystarcza do wysuszenia 30 000 ton wilgotnego osadu rocznie. Ta wydajność z jednostki powierzchni jest co najmniej pięciokrotnie większa w porównaniu z wydajnością niewspomaganej suszarni słonecznej w tych samych warunkach klimatycznych. Wysuszony materiał jest wykorzystywany jako substytut paliwa w elektrowni węglowej, dzięki czemu wytwarzane jest około 5 600 MWh energii elektrycznej przy oszczędności 8 000 ton węgla brunatnego i zmniejszeniu emisji CO2 o mniej więcej taką samą ilość. Energia cieplna do pomocniczego ogrzewania suszarni jest ciepłem odpadowym z przemysłowego procesu sterylizacji. Ze względu na naturę tego procesu, dostępna moc waha się od 0 do 4 MW (13 600 000 btu/hr) w ciągu tygodnia. Temperatura cieczy grzewczej (wody) także nie jest stała i waha się pomiędzy 65 a 85°C (150 - 185°F). Ponieważ jednak proces w instalacji w Oldenburgu jest procesem wsadowym, w sześciu komorach suszących nie występują żadne problemy związane z oscylacją dostaw ciepła. W okresie, gdy dostępna moc cieplna jest niska, wzrasta jedynie całkowity czas suszenia. Ze względu na niskie temperatury suszenia 25 do 45°C (77 113°F) wewnątrz komór, zagrożenia techniczne są równie niskie, jak w przypadku niewspomaganej suszarni słonecznej i błędy związane z czasem krytycznym nie występują. Ponieważ suszarnia jest zlokalizowana w pobliżu innych obiektów, zastosowano komin o wysokości 18 m do rozcieńczania odprowadzanego powietrza i do skierowania go w górę. Ponadto na wypadek załadunku do jednej z komór nieustabilizowanego osadu, dostępny jest układ biofiltracji. Ze względu na niskie wymagania w zakresie eksploatacji, nadzoru i konserwacji, instalacja wymaga zatrudnienia operatora jedynie w niepełnym wymiarze godzin. Dostawa wilgotnego osadu w strefie rozładunku. Rysunek 6 Widok panoramiczny największej na świecie niskotemperaturowej wspomaganej suszarni słonecznej w Oldenburgu, Niemcy (550 000 PE, 150 tys. m3/dzień). Rysunek 7 Substancje stałe pochodzenia biologicznego dla rolnictwa Oprócz możliwości konwersji osadu w paliwo, suszarnie słoneczne mogą również wytwarzać substancje stałe pochodzenia biologicznego klasy A do użytku w rolnictwie, zgodnie z postanowieniem 503 amerykańskich przepisów EPA [7]. W ostatnich latach w USA zbudowano kilka mniejszych instalacji spełniających te warunki. Obecnie największy zakład posiadający zezwolenie na wytwarzanie substancji klasy A ma przepustowość 3 MGD (ok. 11,2 tys. m3/dzień) i znajduje się w Okeechobee w stanie Floryda. Został on zbudowany przez firmę PARKSON CORPORATION z Fort Lauderdale w roku 2008. Inne, większe zakłady są obecnie w fazie projektowania, a ich budowa jest przewidziana na lata 2010 i 2011. Paletyzowany, zapakowany w worki materiał, przeznaczony do użytku jako nawóz oraz załadunek do samochodu ciężarowego osadu wysuszonego w suszarni słonecznej, przeznaczonego do wykorzystania jako paliwo w cementowni Rysunek 8 + 9 Wnioski i perspektywy na przyszłość Ze względu na niskie koszty suszenia, małe zużycie energii i niską emisję CO 2 oraz prostotę eksploatacji i niski poziom zagrożeń, suszarnie słoneczne i niskotemperaturowe suszarnie wspomagane wykazały, że stanowią wydajną technologię konwersji osadu w wartościowe substancje pochodzenia biologicznego. W porównaniu z konwencjonalnymi suszarniami o tej samej powierzchni umożliwiają one znaczną redukcję nakładów pracy, zużycia energii i kosztów suszenia. Ponadto większość kosztu całkowitego stanowią początkowe koszty inwestycji (koszt kapitałowy i odpisy amortyzacyjne), które nie podlegają zmianom w okresie eksploatacji zakładu. Koszty zmienne, takie, jak koszty energii, eksploatacji i konserwacji wpływają na koszt całkowity w znacznie mniejszym zakresie. Stabilizuje to oczekiwane koszty suszenia i uniezależnia je od warunków rynkowych. Materiał uzyskiwany w wyniku suszenia osadu w suszarniach słonecznych jest obecnie stosowany w rolnictwie jako nawóz zgodny z przepisami USEPA dla klasy-A oraz jako paliwo w zakładach WTE, elektrowniach węglowych i cementowniach. Ze względu na modułową koncepcje technologii, może ona być stosowana w taki sam sposób w małych zdecentralizowanych instalacjach, w dużych zakładach centralnych lub nawet w zakładach regionalnych. Chociaż liczba już eksploatowanych dużych suszarni słonecznych jest wciąż ograniczona, nowe, duże instalacje, takie, jak w Nantes (Francja); w Bettembourgu (Luksemburg) lub w Fayetteville (Aizona, USA) i inne są w fazie projektowania lub w budowie. Literatura Kontakt [1] SPINOSA, L.; AARNE VESILIND, P.: Sludge into Biosolids: Processing, disposal and utilization. IWA Publishing, London, 2001. [2] MELSA, A.; BÄCKLER, G.; HANßEN, H.; HUSMANN, M.; WESSEL, M,; WITTE, H.: Trocknung kommunaler Klärschlämme in Deutschland. Korrespondenz Abwasser 46 (1999) Nr. 9. [3] BUX, M.; BAUMANN, R.: Performance, energy consumption and energetic efficiency analysis of 25 solar sludge dryers. Proceedings of the WEFTEC (Water Environment Federation) Congress, Alexandria (Virginia), 2003. [4 BUX, M., R. BAUMANN, S. QUADT, J. PINNEKAMP; MÜHLBAUER, W.: Volume reduction and biological stabilization of sludge in small sewage plants by solar drying. Drying Technology 20 (2002) Nr. 4 & 5, S. 829-837. [5] BUX, M.; BAUMANN, R.: Wirtschaftlichkeit und CO2-Bilanz der solren Trocknung von mechanisch entwässertem Klärschlamm. KA Wasserwirtschaft, Abwasser, Abfall 50 (2003) Nr. 9, S. 1169- 1177. [6] HILL, M.; BUX, M.: Comparing the Carbon Footprint of Conventional Gas-Fired Thermal Sludge Drying to Solar Sludge Drying. Proceedings of the WEFTEC (Water Environment Federation) Congress, New Orleans (Louisiana), 2010 (w druku). [7] BUX, M., R. BAUMANN, W. PHILIPP, T. CONRAD u. W. MÜHLBAUER: Class -A by solar drying. Recent experiences in Europe. Proceedings of the WEFTEC (Water Environment Federation) Congress, Atlanta (Georgia), 2001. Thermo-System Industrie– und Trocknungstechnik GmbH D - 70794 Filderstadt Germany (Niemcy) www.thermo-system.com O Autorze PD Dr. Markus Bux jest dyrektorem naczelnym firmy Thermo-System Industrie- & Trocknungstechnik GmbH (Filderstadt, Niemcy) oraz profesorem nadzwyczajnym (Privatdozent) na Uniwersytecie Hohenheim (Stuttgart, Niemcy). Uzyskał tytuł doktora filozofii (Ph.D.) w zakresie technologii suszarnictwa oraz habilitację na Uniwersytecie Hohenheim. Będąc autorem ponad 50 publikacji naukowych z zakresu suszenia osadów ściekowych przy użyciu energii słonecznej, jest jednym z czołowych ekspertów w tej dziedzinie. Kontakt: [email protected]