docwybrane aspekty termicznej utylizacji komunalnych osadow
download 
Reklamacja Transkrypt
wybrane aspekty termicznej utylizacji komunalnych osadow
Publikacja współfinansowana ze środków UNII EUROPEJSKIEJ w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Projekt „Plan Rozwoju Politechniki Częstochowskiej” Publikacja jest dystrybuowana bezpłatnie na stronie: www.plan-rozwoju.pcz.pl/energetyka.html Wybrane aspekty termicznej utylizacji komunalnych osadów ściekowych dr inŜ. Jurand Bień Spis treści 1. Wprowadzenie____________________________________________________________ 3 2. Prawne i techniczne uwarunkowania termicznej utylizacji osadów ściekowych _________ 7 3. Energetyczne właściwości osadów ściekowych _________________________________ 17 4. Termiczne metody przekształcania osadów ściekowych __________________________ 21 4.1. Współspalanie _______________________________________________________ 22 4.1.1. Współspalanie z węglem ____________________________________________ 22 4.1.2. Przemysł cementowy_______________________________________________ 25 4.1.3. Współspalanie z odpadami komunalnymi_______________________________ 30 4.2. Zgazowanie _________________________________________________________ 31 5. Podsumowanie __________________________________________________________ 42 Wybrane aspekty termicznej utylizacji komunalnych osadów ściekowych 2 1. Wprowadzenie Osady ściekowe, organiczno-mineralna materia wyodrębniona ze ścieków w trakcie ich oczyszczania, stanowią pod względem ilościowym nieznaczny procent wytwarzanych w Polsce odpadów. Na podstawie wieloletnich doświadczeń stwierdza się, Ŝe ilość ta nie przekracza najczęściej 2% objętości ścieków dopływających do oczyszczalni [1]. Jednak z uwagi na swoje właściwości fizyko-chemiczne oraz zagroŜenia jakie mogą stwarzać dla zdrowia ludzi oraz środowiska naturalnego muszą być poddawane odpowiedniej przeróbce, a następnie być ostatecznie unieszkodliwiane. Ostateczne unieszkodliwianie osadów prowadzone w oczyszczalniach ścieków zaprojektowanych przed 1990r ograniczało się głównie do ich magazynowania na terenie oczyszczalni. Wykorzystywano w tym celu przede wszystkim laguny oraz poletka osadowe. Sytuacja uległa zmianie z początkiem lat 90-tych, kiedy to, w wyniku zmian społeczno-gospodarczych, nastąpił dostęp do technologii zachodnich oraz zaczęto przykładać coraz większą wagę do stanu środowiska naturalnego i jego ochrony. W nowo realizowanych oczyszczalniach ścieków uwzględniano ciąg przeróbki osadów, a modernizowane oczyszczalnie doposaŜono w urządzenia gospodarki osadowej. Według Krajowego Programu Oczyszczania Ścieków Komunalnych [2] (KPOŚK) opracowanego w Ministerstwie Środowiska od 1995r. wybudowano 302 oczyszczalnie. W latach 2000-2002 oraz w początkach 2003 r. zmodernizowano 181 oczyszczalni . W tej grupie nie uwzględniono oczyszczalni wybudowanych po 1995 r., które były następnie modernizowane po roku 2000. DuŜa grupa oczyszczalni została zmodernizowana w latach 1990-1994. Według danych Głównego Urzędu Statystycznego z 2008r w Polsce istnieje ponad 3041 oczyszczalni ścieków. Oczyszczalnie te obsługują ponad dwadzieścia trzy milionów mieszkańców i oczyszczają ponad 1 174 119 tys. m3 ścieków komunalnych. Większość oczyszczalni ścieków jest stosunkowo nowa, o czym moŜe świadczyć fakt, Ŝe 765 oczyszczalni to obiekty z podwyŜszonym usuwaniem substancji biogennych, pracujące w układach trójfazowych, dwufazowych, hybrydowych, cyklicznych, semicyklicznych oraz w układach jednofazowych ze strącaniem chemicznym fosforu [2]. Nowoczesne i wysoko efektywne systemy oczyszczania ścieków powodują wytwarzanie znaczących ilości osadów ściekowych. Według danych GUS w 2007r ilość osadów ściekowych wytworzonych w Wybrane aspekty termicznej utylizacji komunalnych osadów ściekowych 3 oczyszczalniach komunalnych wyniosła 533,4 tys. Mg s.m. Średnio ilość ta rokrocznie zwiększa się o około 30 tys. Mg s.m. Wg KPOŚK prognozowana na 2015 r. ilość suchej masy komunalnych osadów ściekowych osiągnie poziom 642,4 tys. Mg [2]. Szacuje się w 2015 r. ok. 58% powstanie w aglomeracjach o RLM wynoszącej powyŜej 100 tys. RLM. W pozostałych przedziałach aglomeracji wielkości te będą wynosić odpowiednio: ok. 29% w aglomeracjach o RLM 15 000-100 000 i ok. 13% w aglomeracjach o RLM 2 000 - 15 000. Aglomeracje definiuje się jako teren, na którym zaludnienie lub działalność gospodarcza są wystarczająco skoncentrowane, aby ścieki były zbierane i przekazywane do oczyszczalni ścieków komunalnych. Opierając się o powyŜsze załoŜenia i prognozy demograficzne, szacuje się Ŝe ilości osadów ściekowych które zostaną wytworzone w Polsce na przestrzeni do roku 2018 będą następujące: - 2010 r. - 612,8 tys. Mg s.m., - 2015 r. - 642,4 tys. Mg s.m., - 2018 r. - 706,6 tys. Mg s.m. Zatem gospodarka osadowa w oczyszczalniach ścieków musi być prowadzona w sposób zapewniający właściwy dobór procesów przeróbki osadów co ma znaczący wpływ na późniejsze metody ich unieszkodliwiania. Oczywiście decydując się na konkretny sposób zagospodarowania osadów naleŜy rozwaŜyć aspekty techniczne, ekonomiczne, ekologiczne oraz uwarunkowania lokalne. Ostateczne unieszkodliwianie komunalnych osadów ściekowych w Polsce realizowane jest poprzez: • rolnicze wykorzystanie, • rekultywację terenów przemysłowych oraz składowisk odpadów, • kształtowanie terenów oczyszczalni ścieków oraz magazynowanie osadów na terenie oczyszczalni, w tym lagunach i stawach, • wytwarzanie kompostu, • składowanie na składowiskach odpadów komunalnych, • termiczną utylizację • wywóz do stacji przerobu osadów zazwyczaj zlokalizowanych w duŜych oczyszczalniach ścieków. W tabeli 1 przedstawiono metody ostatecznego unieszkodliwiania osadów w latach 2005-2007 zebrane przez Główny Urząd Statystyczny (GUS). Wybrane aspekty termicznej utylizacji komunalnych osadów ściekowych 4 Tabela 1. Wykorzystanie osadów ściekowych w Polsce w latach 2005-2007 Wykorzystanie na cele Kompostowanie Lata rekultywacji rolnicze Składowanie Metody termiczne Na terenie oczyszczalni tys. Mg s.m. 2005 120,6 66 27,4 6,2 150,7 782,7 2006 109,7 80,6 28,1 4,5 147,1 790,9 2007 118,5 98,2 25,5 1,7 124,5 753,3 Z analizy przedstawionych danych wynika, Ŝe poza składowaniem osady ściekowe były głównie wykorzystywane do rekultywacji terenów, nawoŜenia gleb, do produkcji kompostów oraz preparatów nawozowych. Nieznaczna tylko część osadów poddawana jest procesom utylizacji termicznej. Zgodnie z zapisami Krajowego Planu Gospodarki Odpadami (KPGO), aktualny sposób końcowego unieszkodliwiania odbiega od nakreślonego scenariusza. Zakład się bowiem, Ŝe w perspektywie do 2018 r. podstawowe cele w gospodarce komunalnymi osadami ściekowymi będą realizowane poprzez: • całkowite ograniczenie składowania osadów ściekowych, • zwiększenie ilości komunalnych osadów ściekowych przetwarzanych przed wprowadzeniem do środowiska oraz osadów przekształcanych metodami termicznymi, • maksymalizację stopnia wykorzystania substancji biogennych zawartych w osadach przy jednoczesnym spełnieniu wszystkich wymogów dotyczących bezpieczeństwa sanitarnego i chemicznego. Przewidywana struktura ostatecznego zagospodarowania osadów do roku 2018 według KPGO przedstawia się następująco (rys 1): Wybrane aspekty termicznej utylizacji komunalnych osadów ściekowych 5 Rys. 1. Zmiany w strukturze unieszkodliwiania i wykorzystania osadów z komunalnych oczyszczalni ścieków według KPGO [3] Zatem w strukturze zmiany ostatecznego unieszkodliwiania komunalnych osadów ściekowych obserwujemy przede wszystkim ograniczenia wykorzystania na cele przyrodnicze oraz rolnicze. Z kolei na znaczeniu zyskują termiczne procesy unieszkodliwiania, które naleŜą do metod najbardziej radykalnych z uwagi na moŜliwość całkowitej utylizacji i usunięcia ich z obiegu ekologicznego, bowiem stałe produkty reakcji i pozostałości procesowe są bezpieczne pod względem sanitarnym. Niniejsza publikacja przedstawia techniczne moŜliwości realizacji ostatecznego unieszkodliwiania komunalnych osadów ściekowych na drodze termicznej. Wybrane aspekty termicznej utylizacji komunalnych osadów ściekowych 6 2. Prawne i techniczne uwarunkowania termicznej utylizacji osadów ściekowych Podstawowym aktem prawnym regulującym zagadnienia gospodarki odpadami, a wiec między innymi komunalnymi osadami ściekowymi jest ustawa z dnia 21 kwietnia 2001r o odpadach (Dz.U.07.39.251). Towarzyszy jej szereg rozporządzeń, które w sposób szczegółowy regulują postępowanie z odpadami. Do najwaŜniejszych aktów normatywnych w zakresie postępowania z osadami ściekowymi naleŜą: • rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 27 września 2001r w sprawie katalogu odpadów (Dz.U. 01.112.1206) • rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 1 sierpnia 2002r w sprawie komunalnych osadów ściekowych (Dz.U. nr 134, poz.1140 i nr 155, poz 1299) Ustawa o odpadach definiuje pojęcie komunalnych osadów ściekowych, przez które rozumie się osady pochodzące z komór fermentacyjnych oczyszczalni ścieków oraz innych instalacji słuŜących do oczyszczania ścieków komunalnych oraz innych ścieków o składzie zbliŜonym do składu ścieków komunalnych. Stosownie do postanowień ustawy (art. 7) posiadacz odpadów, w tym osadów, jest obowiązany do postępowania z odpadami w sposób zgodny z zasadami gospodarowania odpadami, wymaganiami ochrony środowiska oraz planami gospodarki odpadami, przy czym w pierwszej kolejności naleŜy poddać odpady odzyskowi, a jeŜeli z przyczyn technologicznych jest to niemoŜliwe lub nie jest uzasadnione z przyczyn ekologicznych lub ekonomicznych, to odpady te naleŜy unieszkodliwiać. Przez odzysk rozumie się wszelkie działania, nie stwarzające zagroŜenia dla Ŝycia, zdrowia ludzi lub dla środowiska, polegające na wykorzystaniu odpadów w całości lub w części, lub prowadzące do odzyskania z odpadów substancji, materiałów lub energii i ich wykorzystania, określone w załączniku nr 5 do ustawy. Ustawa definiuje równieŜ pojęcie odzysku energii - rozumie się przez to termiczne przekształcanie odpadów w celu odzyskania energii. Unieszkodliwianie z kolei to poddanie odpadów procesom przekształceń biologicznych, fizycznych lub chemicznych określonym w załączniku nr 6 do ustawy w celu doprowadzenia ich do stanu, który nie stwarza zagroŜenia dla Ŝycia, zdrowia ludzi lub dla środowiska. Zgodnie z zapisami ustawy odpady naleŜy Wybrane aspekty termicznej utylizacji komunalnych osadów ściekowych 7 unieszkodliwiać tak, aby składowane były wyłącznie te odpady, których unieszkodliwienie było niemoŜliwe z przyczyn technologicznych, ekologicznych lub ekonomicznych. Po raz pierwszy dokonano podziału składowisk w zaleŜności od cech odpadu, wyróŜniając trzy typy składowisk: odpadów niebezpiecznych, odpadów obojętnych oraz odpadów innych niŜ niebezpieczne i obojętne. Ustabilizowane osady ściekowe klasyfikowane są w strumieniu odpadów z grupy 19.08 zgodnie z rozporządzeniem Ministra Środowiska z dnia 27 września 2001r w sprawie katalogu odpadów (Dz.U. 01.112.1206). Przypisano im kod 19.08.05. Rozporządzenie w sprawie komunalnych osadów ściekowych określa warunki, jakie muszą być spełnione przy przyrodniczym, w tym rolniczym wykorzystaniu komunalnych osadów ściekowych. Limituje ono obciąŜenia osadów ściekowych oraz gleb nawoŜonych osadami określając dopuszczalne stęŜenia metali cięŜkich. Określa dawki, zakres, częstotliwość oraz metody referencyjne badań komunalnych osadów ściekowych i gruntów, na których osady te mają być stosowane. PoniŜej przedstawiono wymagania odnośnie prowadzenia termicznego procesu przekształcania odpadów. Zgodnie z ustawą o odpadach jako termiczne przekształcanie odpadów – rozumie się a. spalanie odpadów przez ich utlenianie, b. inne procesy termicznego przekształcania odpadów, w tym pirolizę, zgazowanie i proces plazmowy, o ile substancje powstające podczas tych procesów termicznego przekształcania odpadów są następnie spalane, Wykorzystanie osadów ściekowych do odzysku energii jest rozwiązaniem, które juŜ od kilku lat budzi szerokie zainteresowanie oraz nadzieje na szersze wprowadzanie metod termicznej utylizacji do krajowych systemów zagospodarowania odpadów. Wynika on między innymi z konieczności wypełnienia zobowiązań akcesyjnych właśnie w dziedzinie zagospodarowania odpadów, a w szczególności przepisów dotyczących redukcji odpadów ulegających biodegradacji. Podanie niŜej rozwaŜania przedstawiają wymagania prawne w zakresie dotrzymania standardów emisyjnych, wymagań procesowych oraz wymagań związanych z obowiązkiem monitoringu emisji i procesu, które zostały przetransponowane do ustawodawstwa polskiego z prawa wspólnotowego. NaleŜy tu na wstępie zaznaczyć dość wyraźnie, Ŝe obowiązujące przepisy stawiają wysokie wymagania. Wybrane aspekty termicznej utylizacji komunalnych osadów ściekowych 8 Do podstawowych wymagań prawnych określających moŜliwości termicznej utylizacji odpadów naleŜą: • wymagania dotyczące zachowania określonych standardów emisyjnych, • wymagania określające niezbędne parametry procesowe, • wymagania definiujące zakres pomiarów i monitoringu parametrów procesowych i emisji zanieczyszczeń. Wymagania te zostały ujęte między innymi w następujących aktach prawnych: • Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 20 grudnia 2005r w sprawie standardów emisyjnych z instalacji (Dz.U.05.260.2181 z późn zmianami) • Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 21 marca 2002r w sprawie wymagań dotyczących prowadzenia procesu termicznego przekształcenia odpadów (Dz.U.02.37.339 z późn. zmianami) • Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 23 grudnia 2004r w sprawie wymagań w zakresie prowadzenia wielkości emisji (Dz.U. Nr 283, poz. 2842) W myśl ustawy o odpadach (Dz.U.07.39.251) termiczne przekształcenie odpadów moŜe być prowadzone w spalarniach lub współspalarniach. Jako spalarnię odpadów rozumie się zakład lub jego część przeznaczone do termicznego przekształcania odpadów z odzyskiem lub bez odzysku wytwarzanej energii cieplnej, obejmujące instalacje i urządzenia słuŜące do prowadzenia procesu termicznego przekształcania odpadów wraz z oczyszczaniem gazów odlotowych i wprowadzaniem ich do atmosfery, kontrolą, sterowaniem i monitorowaniem procesów oraz instalacjami związanymi z przyjmowaniem, wstępnym przetwarzaniem i magazynowaniem odpadów dostarczonych do termicznego przekształcania oraz instalacjami związanymi z magazynowaniem i przetwarzaniem substancji otrzymanych w wyniku spalania i oczyszczania gazów odlotowych. Z kolei współspalarnia odpadów to zakład lub jego część, których głównym celem jest wytwarzanie energii lub produktów, w których wraz z paliwami są termicznie przekształcane odpady w celu odzyskania zawartej w nich energii lub w celu ich unieszkodliwienia, obejmujące instalacje i urządzenia słuŜące do prowadzenia procesu termicznego przekształcania wraz z oczyszczaniem gazów odlotowych i wprowadzaniem ich do atmosfery, kontrolą, sterowaniem i monitorowaniem procesów, instalacjami związanymi z przyjmowaniem, wstępnym przetwarzaniem i magazynowaniem odpadów dostarczonych do termicznego przekształcania oraz instalacjami związanymi z magazynowaniem i przetwarzaniem substancji otrzymanych w wyniku spalania i oczyszczania gazów Wybrane aspekty termicznej utylizacji komunalnych osadów ściekowych 9 odlotowych. Na podstawie przytoczonych definicji moŜna stwierdzić, Ŝe definicja współspalarni jest całkowicie zbieŜna z definicją spalarni, co w konsekwencji powoduje, Ŝe niemal wszystkie wymagania co do spalarni są przenoszone równieŜ na współspalarnie. Istnieje równieŜ definicja współspalania zawarta w rozporządzeniu Ministra Środowiska z dnia 20 grudnia 2005r w sprawie standardów emisyjnych z instalacji. PoniŜej przytoczono jej zawartość: „Przez instalacje współspalania odpadów rozumie się kaŜdą instalację, której głównym celem jest wytwarzanie energii lub innych produktów, w której wraz z paliwami są spalane odpady w celu odzyskania zawartej w nich energii lub w celu ich unieszkodliwienia; obejmuje to spalanie przez utlenianie odpadów i paliw, jak równieŜ inne procesy przekształcania termicznego odpadów, w tym pirolizę, zgazowanie i proces plazmowy, o ile substancje powstające podczas przekształcania są następnie współspalane z paliwami. JeŜeli w instalacji jednocześnie wraz z paliwami są spalane odpady inne niŜ niebezpieczne w ilości nie większej niŜ 1 % masy tych paliw, to do instalacji tej nie stosuje się przepisów niniejszego rozdziału, z tym Ŝe do źródeł spalania paliw, w których współspalane są odpady, stosuje się w takim przypadku przepisy rozdziału 2.” Definicja ta stwarza pewien precedens, w szczególności zapis: „JeŜeli w instalacji jednocześnie wraz z paliwami są spalane odpady inne niŜ niebezpieczne w ilości nie większej niŜ 1% masy tych paliw, to do instalacji tej nie stosuje się przepisów niniejszego rozdziału”, z uwagi na to, Ŝe nie ma on swojego odpowiednika w dyrektywie 2000/76/EC w sprawie spalania odpadów, która to jest tutaj nadrzędnym wzorcem. Dlatego opieranie na tym warunku współspalania odpadów moŜe być tymczasowym rozwiązaniem bez większych perspektyw na przyszłość. Współspalania odpadów innych niŜ niebezpieczne jest procesem odzysku (R1) wg załącznika nr 5 do ustawy o odpadach. W tym celu konieczne jest uzyskanie odpowiednich zezwoleń, przede wszystkich przewidzianych ustawą o odpadach, w szczególności zezwolenia na prowadzenie działalności w zakresie odzysku. Kolejną istotną sprawą jest równieŜ rodzaj odpadów, który ma podlegać procesowi współspalania. Bowiem od jego rodzaju zaleŜy sposób wyznaczania standardów emisyjnych dla instalacji współspalania. Zgodnie z wspomnianym rozporządzeniem Ministra Środowiska w sprawie standardów emisyjnych z dnia 20 grudnia 2005r mamy następujące uwarunkowania: Wybrane aspekty termicznej utylizacji komunalnych osadów ściekowych 10 • w przypadku, gdy współspalaniu poddawane są odpady niebezpieczne i gdy moc cieplna ze spalania tego rodzaju odpadów przekracza 40% nominalnej mocy cieplnej instalacji wówczas standardy emisyjne są określone tak jak dla spalania odpadów, czyli dana instalacja przemysłowa podlega takim samym uwarunkowaniom co spalarnia odpadów. Standardy emisyjne w takiej sytuacji stanowią załącznik nr 5 do w/w rozporządzenia. • dla procesu współspalania odpadów innych niŜ niebezpieczne, a więc osadów ściekowych, standardy emisyjne zostały określone w załączniku nr 6. W tym przypadku nie stosuje się progu 40% czyli standardy określane są bez względu na udział mocy wprowadzanej do instalacji na skutek współspalania odpadów. Oraz w nawiązaniu do istniejącego przepisu o 1% udziale odpadów innych niŜ niebezpieczne w masie paliwa wówczas standardy emisyjne są równowaŜne standardom emisyjnym jak dla energetycznego spalania paliw Zatem wszystkie instalacje przemysłowe chcące współspalać osady ściekowe zobowiązane są zachować standardy emisyjne, które zostały określone w załączniku nr 6 rozporządzenia Ministra Środowiska z 20 grudnia 2005r w sprawie standardów emisyjnych z instalacji. Zgodnie z cytowanym załącznikiem standardy emisyjne naleŜy wyznaczyć na podstawie tabel zamieszczonych w tym załączniku. JeŜeli standard emisyjny – oznaczony jako C – nie jest określony w jakiejkolwiek z tabel zamieszczonych w załączniku nr 6 wówczas naleŜy go obliczyć na podstawie poniŜszego wzoru: C= Vodp ⋅ C odp + V proc ⋅ C proc Vodp + V proc [1] gdzie: • Vodp – objętość gazów odlotowych powstających ze spalania odpadów o najniŜszej wartości opałowej, określona dla umownych warunków gazów odlotowych przy zawartości 11% tlenu. JeŜeli moc cieplna ze spalania odpadów niebezpiecznych wynosi poniŜej 10% nominalnej mocy cieplnej instalacji, Vodp naleŜy wyznaczyć z ilości odpadów, spalenie której odpowiadałoby 10% nominalnej mocy cieplnej instalacji. • Codp – standardy emisyjne z instalacji spalania odpadów, określone w załączniku nr 5 do rozporządzenia. Wybrane aspekty termicznej utylizacji komunalnych osadów ściekowych 11 • Vproc – objętość gazów odlotowych powstających w czasie prowadzenia procesu, obejmującego spalanie paliw (bez spalania odpadów), wyznaczona dla zawartości tlenu, dla której, według niniejszego rozporządzenia, naleŜy standaryzować emisje. W przypadku braku regulacji dla instalacji w tym zakresie, naleŜy przyjąć rzeczywistą objętość gazów odlotowych, nie rozrzedzonych dodatkiem niepotrzebnego powietrza. • Cproc – standardy emisyjne określone dla niektórych rodzajów instalacji w tabelach niniejszego załącznika lub, w przypadku braku regulacji dla instalacji lub substancji w tym zakresie, rzeczywiste wartości stęŜeń substancji w gazach odlotowych występujące w czasie prowadzenia procesu obejmującego spalanie paliw (bez spalania odpadów), pod warunkiem, Ŝe taka wielkość emisji substancji nie spowoduje przekraczania dopuszczalnego poziomu substancji w powietrzu lub wartości odniesienia. Z zapisów załącznika wynika, Ŝe dla kotłów energetycznych, w których mogą zostać współspalane osady, standardy emisyjne są spełnione, jeŜeli zachowane są dopuszczalne stęŜenia metali cięŜkich, dioksyn oraz standardy Cproc takich substancji, monitorowanych w sposób ciągły, jak: pył, tlenki azotu w przeliczeniu na NO2, dwutlenek siarki. Standardy emisyjne dla pozostałych substancji Cproc, jak całkowity węgiel organiczny, chlorowodór, fluorowodór oraz tlenek węgla naleŜy wyznaczyć w oparciu o rzeczywiste wartości stęŜeń substancji w gazach odlotowych w czasie prowadzenia procesu obejmującego spalanie paliw (bez spalania odpadów) pod warunkiem, Ŝe taka wielkość emisji substancji nie spowoduje przekraczania dopuszczalnego poziomu substancji w powietrzu lub wartości odniesienia, a następnie określając wzajemne relacje pomiędzy strumieniem spalin ze spalania paliw i odpadów przy zastosowaniu reguły mieszania podanej wzorem 1. Instalacje do współspalania odpadów są zobowiązane do dotrzymania wymagań procesowych, w tym: temperatury, czasu przebywania spalin w komorze, zawartość węgla organicznego w popiele czy monitoring. Wymagania procesowe zostały szczegółowo ujęte w rozporządzeniu Ministra Gospodarki, Pracy i Polityki Społecznej w sprawie wymagań dotyczących prowadzenia procesu termicznego przekształcania odpadów (Dz.U.2004.1.2) oraz w rozporządzeniu Ministra Środowiska z dnia 23 grudnia 2004r (Dz.U. 2004 Nr 283 poz. 2842) w sprawie wymagań w zakresie prowadzenia wielkości emisji. Do najistotniejszych elementów zawartych w rozporządzeniu Ministra Gospodarki, Pracy i Polityki Społecznej dotyczących współspalania osadów naleŜą: Wybrane aspekty termicznej utylizacji komunalnych osadów ściekowych 12 • w §3 określono, Ŝe termiczny proces współspalania prowadzi się w taki sposób, aby temperatura gazów powstających w wyniku spalania zmierzona w pobliŜu wewnętrznej ściany lub w innym reprezentatywnym punkcie komory spalania lub dopalania, wynikającym ze specyfikacji technicznej instalacji po ostatnim doprowadzeniu powietrza, nawet w najbardziej niekorzystnych warunkach utrzymywana była przez co najmniej 2 sekundy na poziomie nie niŜszym niŜ: 1100ºC – dla odpadów zawierających powyŜej 1% masy związków chlorowcoorganicznych przeliczonych na chlor. 850ºC - dla odpadów zawierających poniŜej 1% masy związków chlorowcoorganicznych przeliczonych na chlor. • w §5 określono, Ŝe przekształcenie termiczne odpadów powinno zapewnić odpowiedni poziom ich przekształcenia wyraŜony jako maksymalna zawartość nieutlenionych związków organicznych, której miernikiem mogą być oznaczane zgodnie z Polskimi Normami: całkowita zawartość węgla organicznego w ŜuŜlach i popiołach paleniskowych nieprzekraczającą 3% lub udział części palnych w ŜuŜlach i popiołach paleniskowych nieprzekraczający 5% • §7 określa jakie pomiary powinny być wykonywane podczas prowadzenia procesu współspalania. Zgodnie z zapisami proces współspalania wymaga przeprowadzania następujących pomiarów: temperatury gazów spalinowych mierzonej w pobliŜu ściany wewnętrznej w sposób eliminujący wpływ promieniowania cieplnego płomienia – pomiar prowadzony w sposób ciągły (powstaje ryzyko erozji na ścianach membranowych !) zawartości tlenu w gazach spalinowych – pomiar prowadzony w sposób ciągły ciśnienia gazów spalinowych – pomiar prowadzony w sposób ciągły przy rozruchu oraz po kaŜdej modernizacji naleŜy przeprowadzić kontrolę czasu przebywania gazów spalinowych w wymaganej temperaturze, zgodnie z zapisami z §3 Wybrane aspekty termicznej utylizacji komunalnych osadów ściekowych 13 zawartości pary wodnej w spalinach spalinowych, o ile techniki pomiarowe zastosowane do poboru i analizy składu gazów spalinowych nie obejmują osuszania gazów przed tą analizą. Z kolei zgodnie z zapisami zawartymi w rozporządzeniu Ministra Środowiska w sprawie wymagań w zakresie prowadzenia pomiarów wielkości emisji dla instalacji współspalania odpadów określono metody wykonywania pomiarów oraz rodzaj instalacji dla których wymagane jest przeprowadzanie w sposób ciągły pomiarów określonych rodzajów zanieczyszczeń oraz w sposób okresowy stęŜeń określonych metali cięŜkich i dioksyn. Stosownie do niej instalacja współspalająca odpady powinna posiadać system ciągłego monitoringu emisji obejmujący ciągły pomiar stęŜeń następujących substancji w gazach odlotowych: pyłów, NOx, CO, SO2, O2 a ponadto wilgotności bezwzględnej spalin, temperatury i ciśnienia (dla przypadku współspalania do 1% masowego odpadów). PowyŜej współspalania 1% wymagany jest rozszerzony monitoring obejmujący: pył, dwutlenek siarki, tlenek i dwutlenek azotu, tlenek węgla, całkowity węgiel organiczny, tlen, chlorowodór, fluorowodór, prędkość spalin, temperaturę spalin, ciśnienie spalin, współczynnik wilgotności oraz okresowo: rtęć, kadm, tal, sumę metali cięŜkich, dioksyny i furany. Układ monitoringu powinien być zabudowany bezpośrednio przed emitorem. Ponadto instalacja współspalania musi być wyposaŜona między innymi w automatyczny system podawania odpadów pozwalający na zatrzymanie ich podawania podczas: • rozruchu, do czasu osiągnięcia wymaganej temperatury, • procesu, w razie nieosiągnięci wymaganej temperatury lub przekroczenia dopuszczalnych wartości emisji W procesie termicznego przekształcania odpadów powstają podobnie w jak w przypadku spalania paliw konwencjonalnych popiół denny oraz popiół lotny, są to produkty uboczne. Kwalifikacja tych produktów uzaleŜniona jest od składu chemicznego spalanych odpadów. Zgodnie z katalogiem odpadów stanowiącym załącznik do rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 27 września 2001r w sprawie katalogu odpadów (Dz.U.2001.112.1206) popioły i ŜuŜle jako odpady z instalacji i urządzeń słuŜących zagospodarowaniu odpadów klasyfikowane są w grupie 19, w podgrupie 19 01 – odpady z termicznego przekształcania odpadów. PoniŜej przedstawiono listę przypisanych kodów wraz z oznaczeniem czy jest to odpad niebezpieczny czy inny niŜ niebezpieczny. Wybrane aspekty termicznej utylizacji komunalnych osadów ściekowych 14 Kod Grupy, podgrupy i rodzaje odpadów 19 01 11* śuŜle i popioły paleniskowe zawierające substancje niebezpieczne 19 01 12 śuŜle i popioły paleniskowe inne niŜ wymienione w 19 01 11 19 01 13* Popioły lotne zawierające substancje niebezpieczne 19 01 14 Popioły lotne inne niŜ wymienione w 19 01 12 19 01 15* Pyły z kotłów zawierające substancje niebezpieczne 19 01 16 Pyły z kotłów inne niŜ wymienione w 19 01 15 * - odpady niebezpieczne Zgodnie z §13 rozporządzenia Ministra Gospodarki z dnia 21 marca 2002r w sprawie wymagań dotyczących prowadzenia procesu termicznego przekształcania odpadów pozostałości po termicznym przekształceniu naleŜy poddać odzyskowi, a w przypadku braku takiej moŜliwości skierować do unieszkodliwiania przy szczególnej uwadze skierowanej na metale cięŜkie. Rozporządzenie to daje moŜliwość wykorzystania pozostałości po przekształceniu odpadów do sporządzania mieszanek betonowych z zaznaczeniem jednak, Ŝe nie wolno wykorzystywać ich do budowy budynków przeznaczonych do stałego przebywania ludzi lub zwierząt oraz budynków przeznaczonych do produkcji lub magazynowania Ŝywności. Spełnione przy tym muszą być następujące warunki: • stęŜenie metali cięŜkich w wyciągach wodnych z badania wymywalności metali z próbek mieszanek betonowych nie moŜe przekroczyć 10 mg/dm3 łącznie w przeliczeniu na masę pierwiastków, • badania wymywalności metali cięŜkich z wyrobów betonowych, zawierających unieszkodliwione odpady niebezpieczne przeprowadza się przez całkowite zanurzenie w wodzie próbki badanego materiału i utrzymanie jej przez 48 godzin przy stałym mieszaniu; do badania naleŜy uŜywać wody niezawierającej chloru o temperaturze w granicach 18-22ºC i twardości w granicach 3-6 mval/md3; stosunek wagowy wody do materiału badanego powinny wynosić 10:1. JeŜeli odpadów nie da się odzyskać to naleŜy je składować. Postępowanie z popiołem i ŜuŜlem ze współspalania odpadów, kierowanym do składowania regulują przepisy Rozporządzenia Ministra Gospodarki i Pracy z dnia 7 września 2005r w sprawie kryteriów oraz procedur dopuszczania odpadów do składowania (Dz.U.2005.186.1553). Wybrane aspekty termicznej utylizacji komunalnych osadów ściekowych 15 Te wszystkie wymagania mogłyby ulec zmianie gdyby komunalne osady ściekowe zostały zakwalifikowane jako biomasa odpadowa. Zresztą od pewnego czasu podejmowane są działania zmierzające do takiej kwalifikacji. Nie mniej jednak, przynajmniej aktualnie, osady ściekowe nie mają szans na preferencje, jakie przewidziane są dla spalania biodegradowalnej frakcji odpadów komunalnych o czym mowa w art. 44 ustawy o odpadach, bowiem nie zostały zaliczone do grupy odpadów, których frakcje mogą być uznane za biodegradowalne w sensie definicji biomasy, a ich spalanie czy współspalanie i wynikający stąd odzysk energii, a szczególnie wytwarzania energii elektrycznej, nie moŜe zostać potraktowana jako energia pozyskiwana z odnawialnego źródła energii. Wybrane aspekty termicznej utylizacji komunalnych osadów ściekowych 16 3. Energetyczne właściwości osadów ściekowych Charakter dopływających do oczyszczalni ścieków oraz procesy technologiczne prowadzone w oczyszczalniach decydują o właściwościach fizykochemicznych osadów ściekowych. Skład chemiczny osadów jest pochodną składu chemicznego ścieków i moŜe reprezentować szeroką gamę pierwiastków, w tym metale cięŜkie oraz zanieczyszczenia organiczne, takie jak: dioksyny, furany, polichlorowane dwufenyle, wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne czy chlorowcopochodne związki absorbowane. Od charakteru dopływających ścieków jak równieŜ procesów przeróbki osadów na róŜnych etapach procesu oczyszczania ścieków zaleŜą właściwości energetyczne osadów. Do tych właściwości naleŜą: zawartość wody, substancji lotnych i mineralnych, ciepło spalania i wartość opałowa, istotny jest równieŜ skład elementarny i skład chemiczny popiołów. Jak wspomniano osady ściekowe cechuje wysoka zawartość uwodnienia, która moŜe być obniŜana poprzez określone procesy przeróbki. Cechą charakterystyczną większości komunalnych osadów jest ich wysokie uwodnienie, które zmienia się od ponad 99% w przypadku osadów surowych do 80-55% dla osadów odwodnionych, a w przypadku osadów wysuszonych termicznie nawet poniŜej 10%. Udział części lotnych w osadach jest związany z zawartością substancji organicznych, która dla osadów surowych stanowić moŜe blisko 70% s.m, natomiast w przypadku osadów poddanych procesowi stabilizacji beztlenowej 50%. Zawartość substancji organicznej w osadach wpływa równieŜ na wartość opałową i ciepło spalania osadów. Wartość opałowa określa uŜyteczny efekt cieplny spalania. Z kolei ciepło spalania jest większe od wartości opalowej o ciepło skraplania całkowitej ilości pary wodnej ze spalin, a pochodzącej z wilgoci paliwa i powstałej ze spalania wodoru [4]. Wartości te moŜna wyznaczyć na drodze doświadczalnej, jak równieŜ wyznaczyć w oparciu o formuły empiryczne. Formuł na obliczanie ciepła spalania i na wartość opałową jest prawie dwadzieścia [5]. Badania przeprowadzone przez E.Kempa [5] potwierdziły dobra korelację z formułą opracowaną przez Faira i Geyera: Qq = a(100-pv/100pc –b)(100-pc/100), kJ/kg s.m. [2] gdzie: Wybrane aspekty termicznej utylizacji komunalnych osadów ściekowych 17 dla osadów wstępnych : a = 306, b = 10 dla osadów wtórnych: a = 257, b = 5 jak równieŜ z formułą wyznaczająca ciepło spalania według zawartości węgla i wodoru: Qg = 345,3(C+H)-191,4 [kJ/kg] [3] Wartość opałową osadów ściekowych moŜna równieŜ odczytać z szeregu publikowanych nomogramów. Jednym z nich jest nomogram opracowany przez [6]. Nomogram sporządzono dla osadów o cieple spalania od Wg = 3 – 21 [MJ/kg]. MoŜna tu zauwaŜyć, Ŝe przy zawartości wilgoci od 54% dla osadów o cieple spalania Wg = 3 [MJ/kg] do wilgotności 89% dla osadów o Wg = 21 [MJ/kg] cały efekt cieplny spalania przeznaczany jest na odparowanie wilgoci. Jak zatem widać, wysoka wartość ciepła spalania nie daje pełnego obrazu o ilości ciepła uŜytecznego. Wd[MJ/kg] 21,0 18,0 15,0 Wg 1[ =2 12,0 M g] J/k 9,0 6,0 3,0 W g =3 [MJ / kg] 0 w[%] -2,5 Rys. 2. ZaleŜność wartości opałowej od ciepła spalania i wilgotności odpadów [6] Wybrane aspekty termicznej utylizacji komunalnych osadów ściekowych 18 Dla określenia wartości opalowej osadów ściekowych w zaleŜności od zawartości w nich substancji palnych, części mineralnych oraz zawartości wilgoci moŜna posługiwać się nomogramem przedstawionym na rys 3. Nomogram sporządzono dla osadów o cieple spalania 21 [MJ/kg]. Zaznaczony obszar określa warunki przy których wartość opalowa jest niewystarczająca do odparowania wilgoci. w[%] 100 90 80 70 Wg = 21 [MJ/kg] 60 W d= 50 0,2 40 W g 0,3 0,4 30 0,5 0,6 20 10 0,1 0,7 0,8 0,9 A[%] 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Rys. 3. ZaleŜność wartości opałowej od ciepła spalania i wilgotności odpadów [7] Wybrane aspekty termicznej utylizacji komunalnych osadów ściekowych 19 Do oceny przydatności osadów ściekowych do termicznego przekształcenia moŜna posłuŜyć się trójkątem Tannera [8]. Jak wynika z analizy wykresu (rys.4.) granicznymi wartościami dla autotermicznego spalania są: zawartość substancji palnej > 25%, zawartość substancji mineralnych < 60% oraz zawartość wilgoci < 50%. Zatem osady ściekowe będą się spalać autotermicznie jedynie wtedy gdy będą odpowiednio odwodnione. Rys. 4. Trójkąt Tannera Substancja mineralna obecna w osadach ściekowych odrywa znaczącą rolę w procesach spalania. Głównymi składnikami popiołu z termicznego przekształcania osadów ściekowych są: SiO2, CaO, P2O5 oraz K2O [9]. Taki skład chemiczny wykazuje większą skłonność do osadzania się na powierzchniach ogrzewalnych. Poza tym niŜsze temperatury topnienia powodują, Ŝe warstwa popiołu jest bardziej podatna na osadzanie się cząstek, co prowadzi do zwiększonego przyrostu osadów i powiększania się ich rozmiarów. Wybrane aspekty termicznej utylizacji komunalnych osadów ściekowych 20 4. Termiczne metody przekształcania osadów ściekowych Termiczna utylizacja osadów ściekowych moŜe odbywać się wieloma sposobami. PoniŜszy rysunek przedstawia moŜliwe procesy pozwalające utylizować komunalne osady ściekowe. Uwodnione osady ściekowe Odwadnianie mechaniczne Suszenie SPALANIE piece półkowe kotły z rusztem mechanicznym piece obrotowe WSPÓŁSPALANIE ALTERNATYWNE z węglem w kotłach pyłowych, fluidalnych z odpadami komunalnymi w kotłach z rusztem mechaniczym zgazowanie piroliza mokre utlenianie kotły fluidalne piece cementownicze Rys. 5. Warianty technologiczne termicznej utylizacji osadów ściekowych W dalszej części publikacji przedstawiono wybrane drogi termicznej utylizacji komunalnych osadów ściekowych. Wybrane aspekty termicznej utylizacji komunalnych osadów ściekowych 21 4.1. Współspalanie Najczęstszym przypadkiem współspalania osadów ściekowych jest ich spalanie z węglem w instalacjach kotłowych elektrowni, elektrociepłowni lub w procesie wypalania klinkieru w piecu cementowym. 4.1.1. Współspalanie z węglem Od pewnego okresu szeroko analizowana w Polsce jest moŜliwość współspalania osadów ściekowych w instalacjach kotłowych elektrowni czy elektrociepłowni. Poniekąd tą metodę uznaje się nawet za panaceum na rozwiązanie problemów zagospodarowania komunalnych osadów ściekowych, w szczególności w obliczu braku specjalistycznych mono-spalarni. W obliczu pozytywnych doświadczeń zagranicznych, w szczególności z Niemiec, Belgii, Holandii czy Austrii nie dziwi zainteresowanie ta technologią. Trzeba tutaj jednak zaznaczyć, Ŝe taka moŜliwość wymaga przeprowadzenia dokładnej analizy instalacji by sprostać wymaganiom określonym w wymaganiach prawnych. Dotyczy to przede wszystkim problemów emisji, w tym substancji organicznych oraz metali cięŜkich. Obecne bowiem systemy oczyszczania gazów spalinowych w polskich elektrowniach czy elektrociepłowniach nie są przystosowane do eliminacji zanieczyszczeń w stopniu wymaganym, gdyŜ limity stęŜeń zanieczyszczeń dla spalania węgla są znacznie niŜsze niŜ w przypadku spalania odpadów. Ponadto istotnym zagadnieniem technicznym jest spełnienie wymagań procesowych, a wyniki badań pokazują, Ŝe ich spełnienie w kotłach energetycznych nie jest łatwe [10]. Np. spalanie niskoemisyjne z obniŜonymi temperaturami w komorze paleniskowej, co ma miejsce w kotłach fluidalnych, moŜe nie dotrzymać warunku dotyczącego czasu przebywania spalin w określonej temperaturze. RównieŜ zmiany obciąŜenia mogą obniŜać temperaturę spalin. W Polsce najczęściej obecnie prowadzi się spalanie węgla w technologii fluidalnej oraz pyłowej. Wybrane aspekty termicznej utylizacji komunalnych osadów ściekowych 22 Współspalanie w kotłach pyłowych W kotłach pyłowych efektywnie spala się paliwa rozdrobnione. Dlatego elementem, który odgrywa tu znaczącą rolę jest podatność paliwa na rozdrabnianie. Osady ściekowe, w szczególności wysuszone, spełniają to kryterium. Zawartość suchej masy w osadach ściekowych decyduje zresztą o rodzaju węgla, z którym mogą być współspalanie. Odwodnione mechaniczne osady, o znacznym uwodnieniu, mogą być współspalanie z węglem brunatnym, który równieŜ często charakteryzuje się wysoką wilgotnością. Z tego teŜ względu kotły opalane węglem oraz współpracujące z nimi młyny w przemiałowni, posiadają większe rezerwy energii celem dosuszania paliwa. Z kolei w przypadku współspalania osadów z węglem kamiennym te pierwsze powinny zostać wstępnie termicznie wysuszone do co najmniej 85% s.m. Uwodnienie osadów odgrywa zatem znaczącą rolę. WyróŜnia się trzy moŜliwości doprowadzenia osadów ściekowych do instalacji kotłowej. Są to [11]: • na warstwę węgla transportowanego zespołami taśmociągów do młynów węglowych, • bezpośrednio do młyna węglowego, • do dysz zamontowanych bezpośrednio w komorze paleniskowej kotła. Pierwsza z metod niezbyt nadaje się do mocno uwodnionych osadów, pomijając uciąŜliwość zapachową bowiem istnieje moŜliwość intensywnego wydzielania się części lotnych w mieszance węgiel-osady. RównieŜ druga metoda przeznaczona jest równieŜ dla osadów podsuszonych, trafiają one bowiem bezpośrednio do młyna, gdzie poddawane są mieszaniu z węglem i współmielone dostarczane są do komory paleniskowej. Trzecia metoda wymaga instalacji w kotle dodatkowych dysz, do których naleŜy równieŜ doprowadzić parę wodną, która zapewniać będzie rozbicie strumienia odwodnionych mechanicznie osadów. Zaletą jednak jest całkowita szczelność przy wprowadzaniu osadów do komory paleniskowej kotła. Z doświadczeń eksploatacyjnych wynika, Ŝe ilość osadów ściekowych w mieszance paliwowej nie powinna przekraczać 10% masowo. Współspalanie w kotłach fluidalnych Kotły fluidalne charakteryzują się niskimi wartościami temperatur spalania, co wpływa przede wszystkim na ograniczenie emisji, w tym przede wszystkich związków azotu. Równie dobrze poprzez bezpośrednie wprowadzanie do kotła sorbentów technologia ta radzi sobie ze Wybrane aspekty termicznej utylizacji komunalnych osadów ściekowych 23 związkami tlenków siarki. W przypadku spalania samego węgla technologia fluidalna nie ma sobie równych pod kątem osiąganych standardów emisji zanieczyszczeń. Ponadto technologia fluidalna jest predysponowana do spalania róŜnorodnych mieszanek paliwowych, w tym równieŜ osadów ściekowych. Na znaczeniu nabiera równieŜ fakt, Ŝe w przypadku tej technologii osady ściekowe mogą być dostarczane bez uprzedniego przygotowania bezpośrednio do komory paleniskowej. Problemem jednak, jak wspomniano, na wstępie tego punktu mogą być formalne wymagania techniczne dla współspalania odpadów. Bowiem temperatura charakterystyczna dla instalacji fluidalnych to 850◦C. Utrzymanie tej temperatury w całym zakresie zmian obciąŜenia moŜe być niezwykle trudne, poza tym wprowadzanie uwodnionych osadów tą temperaturę będzie dodatkowo obniŜało. Konstrukcja kotłów powoduje, Ŝe komory paleniskowe nie są zbyt wysokie, a powietrze wtórne doprowadza się na kilku poziomach. Tak więc czas przebywania spalin w komorze liczony jest od górnych rzędów dysz powietrza do wylotu z komory paleniskowej. Dla kotłów z warstwą pęcherzykową gdzie prędkość spalin jest zazwyczaj poniŜej 3 m/s czas przebywania powyŜej 2s wydaje się prosta do sprostania, jednak w przypadku instalacji z warstwą cyrkulacyjną gdzie prędkość spalin wynosi około 5 m/s wymagany czas przebywania spalin w określonej temperaturze moŜe napotykać trudności w dotrzymaniu. Na korzyść instalacji z warstwą cyrkulacyjną wpływa za to długi czas przebywania cząstek paliwa w strefie wysokich temperatur co sprzyja obniŜeniu straty niecałkowitego spalania. Próby współspalania w Polsce W Elektrociepłowni WybrzeŜe w Gdańsku przy udziale Instytutu Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu przeprowadzono próby w kotle pyłowym OP-230. Podczas kilkudniowych badań spalono ok. 25 Mg osadów ściekowych, pochodzących z Oczyszczalni Ścieków „Gdańsk-Wschód”, wysuszonych do poziomu zawartości wilgoci poniŜej 10%. Dodatek osadów do węgla stanowił około 1%. Podczas badań nie stwierdzono problemów technicznych w pracy układu dozowania osadów oraz kotła. Minimalny poziom temperatury gazów spalinowych, wynoszący 850ºC, był dotrzymany z duŜym nadmiarem w całym rozpatrywanym obszarze komory spalania. Jednak średnie wartości czasów przebywania spalin w strefie po ostatnim doprowadzeniu powietrza nie spełniały wymaganego legislacyjnie warunku. Uzyskane wartości były praktycznie o połowę mniejsze i wynikały ze Wybrane aspekty termicznej utylizacji komunalnych osadów ściekowych 24 zbyt krótkiego odcinka drogi przepływu spalin. Uzyskane emisje spełniały aktualne standardy emisyjne dla wszystkich zanieczyszczeń objętych decyzją o dopuszczalnej emisji, zarówno przy spalaniu węgla, jak i przy jednoprocentowym udziale osadów ściekowych w paliwie (tabela). Spadek sprawności kotła podczas współspalania osadów ściekowych był przy tym praktycznie niezauwaŜalny [12]. Tabela 2. Wyniki testów energetyczno-emisyjnych współspalania osadów ściekowych w kotle pyłowym OP-230 EC WybrzeŜe w Gdańsku [12] Substancje Emisja dopuszczalna** Emisja wyznaczona jednostka węgiel 1% osadów 02 6 %obj. 6 6 NOx 500 mg/m3n 476,7 471,8 SO2 1553 mg/m3n 1305,5 1144,6 CO 225 mg/m3n 14,9 13,6 Pył 350 mg/m3n 32,0 36,4 HCl - mg/m3n < 0,21 0,57 3 HF - mg/m n < 0,35 < 0,35 TOC - mg/m3n 7,6 27,6 Hg - mg/m3n 0,0062 0,0064 * liczona jako sprawność energetyczna (brutto) ** wg decyzji o dopuszczalnej emisji 4.1.2. Przemysł cementowy Szeroko rozpatrywane jest równieŜ współspalanie osadów ściekowych w piecu cementowym, bowiem w technologii wypalania klinkieru moŜna spalać róŜnego rodzaju odpady odpowiednio przygotowane pod względem jednorodności i kaloryczności. W piecach cementowych panują bardzo dobre warunki, temperatura spalania w piecu sięga 2000 oC, a na wylocie z walczaka wynosi około 1000-1200 oC. Temperatura materiału wzrasta z 830 oC do 1450oC przebywając w niej około 20 minut. Czas przebywania gazów w piecu cementowym spełnia wymogi prawne termicznej utylizacji odpadów gdyŜ wynosi od 8 do 10 sekund w Wybrane aspekty termicznej utylizacji komunalnych osadów ściekowych 25 temperaturze powyŜej 1100oC, przy czym temperatura powyŜej 1600 oC utrzymuje się przez 2-3 sekundy. Rys 6. Proces wypalania klinkieru [15] Czasy przetrzymania gazów w poszczególnych strefach instalacji przedstawiono na rys. 7. Rys. 7. Czasy przebywania gazów i materiału w poszczególnych strefach instalacji piecowej [13] Wybrane aspekty termicznej utylizacji komunalnych osadów ściekowych 26 Wymienione warunki są wystarczające do całkowitej neutralizacji wielkocząsteczkowych węglowodorów czy odchlorowania dioksan. Ponadto proces prowadzony jest w środowisku alkalicznym, dzięki czemu zobojętnieniu ulegają kwaśne składniki gazów spalinowych, takie jak: HCl, HF, SO2, a powstałe związki wchodzą w skład klinkieru. DuŜa bezwładność cieplna wyklucza przypadkową awaryjną emisję zanieczyszczeń gdyŜ temperatura spada bardzo powoli. Zaletą jest równieŜ to, Ŝe niepalne części, w tym przede wszystkim metale cięŜkie wbudowane zostają w strukturę klinkieru. Proces w sam sobie jest procesem bezodpadowym. Odpady przeznaczone do spalania w piecu cementowym muszą być odpowiednio przygotowane. Istotny jest ich stan fizyczny, wartość opałowa, skład chemiczny (w szczególności zawartość Na, K, Cl, F), toksyczność (cząsteczki aromatyczne, PCB, metale cięŜkie), ilość i skład chemiczny popiołu, wilgotność, jednorodność, zdolność do obróbki i transportu, uziarnienie, gęstość [14]. Wartość opałowa paliwa odpadowego, przy której zawarta w paliwie energia jest efektywnie wykorzystywana w procesie wypalania klinkieru nie moŜe być niŜsza niŜ 12 MJ/kg dla paliw stałych. Polskie cementownie naleŜące do koncernu Lafarge określiły podstawowe wymagania co do przyjęcia odpadów. Muszą one spełniać następujące kryteria: kaloryczność powyŜej 14 MJ/kg (średnia tygodniowa) oraz 11,7 MJ/kg (średnia dzienna), zawartość chloru poniŜej 0,5%, siarki poniŜej 2,5%, polichlorowanych bifenyli (PCB) poniŜej 5 ppm, a metali cięŜkich poniŜej 2500 ppm (rtęć < 10 ppm; kadm + tal + rtęć < 100 ppm). Uzysk ciepła z paliw odpadowych rokrocznie wzrasta, przy czym znaczący wzrost przypada na lata począwszy od 2000r [15]. Wybrane aspekty termicznej utylizacji komunalnych osadów ściekowych 27 Rys. 8. Uzysk ciepła z paliw odpadowych w przemyśle cementowym w Polsce w latach 19972005 W zaleŜności od typu instalacji oraz własności fizycznych odpadów wyróŜnia się następujące techniczne rozwiązania sposobu podawania paliwa: • wprost do strefy spalania wspólnie z paliwem podstawowym. W ten sposób mogą być podawane paliwa płynne, pyliste lub drobno rozdrobnione o wysokiej wartości opałowej bowiem nie powoduje to obniŜenia temperatury płomienia. Przy niskiej kaloryczności paliwa jego ilość musi być ograniczona. Taki sposób podawania jest najbardziej korzystny gdyŜ paliwo spalane jest w strefie o najwyŜszej temperaturze, a więc szczególnie zalecane dla paliw, które w swym składzie zawierają związki organiczne trudno ulegające rozkładowi termicznemu. • od strony „zimnego” końca pieca. Paliwo podawane jest do pieca poprzez śluzę. W miejscu podawania temperatura gazów wynosi 1100-1200oC, a temperatura wypalanego materiału około 830oC. Paliwo wraz z materiałem przemieszcza się w kierunku coraz wyŜszych temperatur. W ten sposób moŜna podawać wszelkie paliwa stałe, nie ma tu ograniczeń co do ich postaci fizycznej. Ilość podawanego paliwa jest ograniczona i uzaleŜniona od zawartości tlenu w gazach na wylocie z walczaka. Wybrane aspekty termicznej utylizacji komunalnych osadów ściekowych 28 • poprzez podanie do kalcynatora. Do kalcynatora doprowadzane jest dodatkowe powietrze do spalania, dzięki czemu proces spalania jest niezaleŜny od procesu spalania w piecu. Temperatura spalania wynosi 1000-1100oC. Do kalcynatora mogą być poddawane odpady płynne lub rozdrobnione w dowolnej ilości Istnieje równieŜ moŜliwość podawania osadów do chłodników rusztowych klinkieru. Taką metodę promuje m.in. Instytut Materiałów Budowlanych w Opolu [16]. Schemat takiego rozwiązania przedstawiono na rys. 9. Rys 9. Schemat technologiczny współspalania osadów ściekowych z wykorzystaniem chłodnika klinkieru [16]. Przeprowadzone przez [16] badania w przedstawionym powyŜej układzie technologicznym pozwoliły na stwierdzenie, Ŝe 10% dodatek suchej masy osadów ściekowych do miału węglowego nie powodował pod względem parametrów procesu oraz emisji zanieczyszczeń Wybrane aspekty termicznej utylizacji komunalnych osadów ściekowych 29 znaczących róŜnic w stosunku do wypalania klinkieru wyłącznie paliwem naturalnym (pył węglowy, koks ponaftowy). Porównanie parametrów emisyjnych przedstawiono w tabeli 3. Tabela 3. Porównanie parametrów emisyjnych procesu wypalania w piecu cementowym [13] Zakładając wzrost produkcji cementu w Polsce do roku 2020 do poziomu około 20 mln ton co pochłonie zuŜycie węgla na poziomie 2,3 mln ton rocznie to 10% udział osadów ściekowych w mieszance paliwowej pozwoliłby na ich termiczne przekształcenie w ilości około 200 tys ton s.m. rocznie. 4.1.3. Współspalanie z odpadami komunalnymi Kolejną moŜliwością termicznego przekształcania osadów ściekowych jest współspalanie osadów i odpadów komunalnych. Rozwiązanie to ma na celu przede wszystkim ograniczenie kosztów utylizacji odpadów komunalnych i osadów ściekowych. Wśród rozwiązań technicznych termicznego przekształcenia wskazuje się następujące rozwiązania [17]: Wybrane aspekty termicznej utylizacji komunalnych osadów ściekowych 30 • ciepło z odpadów jest wykorzystywane do produkcji pary, która jest wykorzystywana do podsuszania odwodnionych mechanicznie osadów (sposób charakterystyczny dla kotłów rusztowych). • odpady komunalne są odpowiednio rozdrobnione i mieszane w komorze spalania z mechanicznie odwodnionymi osadami (technologia fluidalna) Jak zatem widać wspólne spalanie odpadów komunalnych i osadów ściekowych napotyka określone problemy wynikające przede wszystkim z odmiennej charakterystyki odpadów, a tym samym odmiennych wymagań, jakie musi spełnić instalacja termicznego przekształcenia. Do spalania odpadów komunalnych najlepszą instalacją jest kocioł rusztowy z rusztem posuwisto-zwrotnym lub walcowym. Z kolei do spalania osadów najlepszym rozwiązaniem jest instalacja fluidalne. Współspalanie odpadów komunalnych z osadami ściekowymi jest szczególnie popularne w Japonii, gdzie prowadzi się je głównie w piecach rusztowych [18]. Z krajów europejskich takie rozwiązania znajdują uznanie w Niemczech czy Szwecji. W Polsce autorowi nie są znane przypadki wspólnego spalania osadów ściekowych z odpadami komunalnymi, choć niewątpliwie takie rozwiązanie było rozpatrywane w jedynym polskim zakładzie termicznej utylizacji odpadów komunalnych w Warszawie na Targówku. 4.2. Zgazowanie Zgazowanie jest procesem polegającym na termo-chemicznej konwersji stałej lub ciekłej substancji organicznej do gazu o określonej wartości kalorycznej [19]. Proces ten prowadzony jest w warunkach niedomiaru tlenu przy udziale czynnika zgazowującego (powietrze, para wodna). Czynnik katalizuje proces umoŜliwiając szybką konwersję do postaci gazowej w wyniku reakcji heterogenicznych [20]. Skład wytworzonego gazu uzaleŜniony jest przede wszystkim od składu chemicznego zgazowanej substancji i zawiera przede wszystkim następujące związki chemiczne: CO2, CO, CH4, H2, H2O, śladowe ilości wyŜszych węglowodorów, gazy inertne oraz róŜne zanieczyszczenia, w tym: cząstki mineralne oraz smoły. W zaleŜności od zastosowanego czynnika zgazowującego proces zgazowania moŜna określić jako bezpośredni lub pośredni (rys. 10). Bezpośrednie zgazowanie ma miejsce gdy czynnik zgazowujący jest częściowo wykorzystywany do utleniania materiału wsadowego. Energia uzyskana w wyniku reakcji utleniania pozwala utrzymywać temperaturę procesu. Proces pośredniego zgazowania wymaga doprowadzenia Wybrane aspekty termicznej utylizacji komunalnych osadów ściekowych 31 zewnętrznego źródła energii i zachodzi gdy jako czynnik zgazowujący stosuje się przede wszystkim parę wodną. Para wodna jest czynnikiem szeroko stosowanym z uwagi na łatwość wytwarzania oraz pozytywny wpływ na uzysk zawartości wodoru w otrzymywanym gazie [19]. Czynnik gazyfikujący - tlenowy Bezpośrednie zgazowanie Materiał organiczny gaz + smoła + koksik Pośrednie zgazowanie Czynnik gazyfikujący - beztlenowy Energia cieplna Rys. 10. Bezpośredni i pośredni proces zgazowania Ciepło spalania wytworzonego gazu uzaleŜniony jest od jego składu chemicznego. Znacząca rolę odrywa w tym przypadku zawartość azotu w gazie. W wyniku pośredniego zgazowania uzyskuje się zwiększoną objętościową wydajność przy odpowiednio wyŜszym cieple spalania. Wartości ciepła spalania w zaleŜności od czynnika zgazowującego przedstawiono w tabeli 4. Tabela 4. Ciepło spalania gazu wytworzonego w procesie zgazowania biomasy [19] Proces Czynnik Ciepło spalania gazu zgazowujący [MJ/Nm3] Bezpośrednie zgazowanie Powietrze Bezpośrednie zgazowanie Tlen 10-12 Pośrednie zgazowanie Para wodna 15-20 Wybrane aspekty termicznej utylizacji komunalnych osadów ściekowych 4-7 32 Gazyfikatory Proces gazyfikacji prowadzony jest w reaktorze, zwanym popularnie gazyfikatorem, w którym zachodzą reakcje termo-chemiczne, takie jak: suszenie, piroliza, spalanie i redukcja. Ze względu na konstrukcję wyróŜnia się trzy podstawowe rodzaje gazyfikatorów: z rusztem stałym, ze złoŜem fluidalnym oraz pośrednie. Gazyfikatory te mogą pracować w warunkach atmosferycznych lub pod ciśnieniem. Ciśnieniowe gazyfikatory stosuje się wyłącznie do zgazowania węgla lub oleju paliwowego. PoniŜej scharakteryzowano poszczególne konstrukcje gazyfikatorów. Gazyfikatory z rusztem stałym Gazyfikatory z rusztem stałym o pionowej konstrukcji są urządzeniami szeroko stosowanymi. Ze względu na kierunek przepływu gazów urządzenia te dzieli się na gazyfikatory o opadowym lub wznoszącym kierunku przepływu gazu (rys.11) [21]. W przypadku gazyfikatorów o wznoszącym kierunku przepływu gazu czynnik gazyfikujący doprowadzany jest od dołu podczas gdy materiał wsadowy podawany jest w górnej części reaktora. Układ ten powoduje, Ŝe konwersja wsadu do postaci gazowej odbywa się w dół reaktora. Materiał wsadowy poddawany jest kolejno procesom suszenia, pirolizy, redukcji i spalania. Podstawową wadą gazyfikatora o wznoszącym kierunku przepływu gazu jest porywanie przez wytworzony gaz smół pirolitycznych powstałych w trakcie pirolizy. W przeciwieństwie, gazyfikatory o opadowym kierunku przepływu gazu charakteryzują się dobrymi warunkami krakingu smół pirolitycznych. W tego typu konstrukcji materiał wsadowy doprowadzany jest do reaktora w górnej jego części, natomiast czynnik gazyfikujący wprowadza się ponad strefę redukcji. Wytworzony gaz odprowadzany jest z gazyfikatora w strefie poniŜej rusztu. Wybrane aspekty termicznej utylizacji komunalnych osadów ściekowych 33 a) wsad b) gaz wsad strefa suszenia strefa suszenia strefa pirolizy strefa pirolizy strefa redukcji strefa spalania powietrze strefa spalania ruszt powietrze popiół strefa redukcji ruszt gaz popiół Rys. 11. Gazyfikator o wznoszącym a) i opadowym b) kierunku przepływu gazu Gazyfikatory fluidalne Gazyfikatory fluidalne nadają się szczególnie do zgazowania wsadu organicznego o znacznej zawartości części mineralnych oraz wyŜszej wilgotności. Charakteryzują się ponadto wyŜszą wydajnością, która jest około pięciokrotnie wyŜsza niŜ w przypadku gazyfikatorów z rusztem stałym i wynosi około 2000 kg/(m2 h) [21]. Podstawowe konstrukcje gazyfikatorów fluidalnych przestawiono na rys. 12 [19]. W zaleŜności od prędkości unosu warstwy fluidalnej wyróŜnia się gazyfikatory z warstwą pęcherzykową oraz z warstwą cyrkulacyjną. Dla gazyfikatorów z warstwą pęcherzykową prędkość unosu wynosi 1-3 m/s tak, Ŝe materiał złoŜa rozprzestrzenia się w dolnej części reaktora nie powodując jego wynosu poza reaktor. W przypadku gazyfikatorów z warstwą cyrkulacyjną cząstki złoŜa oraz paliwa unoszone są z gazem powodując konieczność ich odseparowania w cyklonach. Prędkość czynnika zgazowującego w tego typie reaktorów wynosi 5-10 m/s. Wybrane aspekty termicznej utylizacji komunalnych osadów ściekowych 34 a) gaz gaz + pył + koksik b) gaz strefa reakcji gazowych wsad cyklon warstwa fluidalna/ strefa reakcji gazowych warstwa fluidalna pęcherzykowa wsad ruszt pył + koksik ruszt popiół popiół powietrze powietrze Rys. 12. Gazyfikator fluidalny z warstwą pęcherzykową a) i cyrkulacyjną b) Gazyfikatory pośrednie Gazyfikatory pośrednie naleŜą do grupy gazyfikatorów, w których jako czynnik zgazowujący stosowana jest para wodna. W zaleŜności od wewnętrznego źródła energii, którym moŜe być koksik lub gaz, gazyfikatory pośrednie dzieli się na dwie grupy (rys. 13) [19]. a) spaliny + popiół lotny gaz gaz + pył + koksik cyklony b) spaliny + pył + pozostałości koksowe recyrkulacja gazu gaz wsad strefa reakcji gazowych pył + koksik dopalacz spaliny wsad powietrze ruszt pył + pozostałości koksowe para wodna popiół powietrze para wodna Rys. 13. Gazyfikatory pośrednie – dodatkowe źródło energii a) koksik i b) gaz syntezowy Wybrane aspekty termicznej utylizacji komunalnych osadów ściekowych 35 W pierwszym przypadku układ zgazowania składa się z dwóch osobnych reaktorów: fluidalnego gazyfikatora, w którym zachodzi konwersja wsadu do postaci gazu oraz fluidalnego kotła, w którym dopala się cząstki koksiku wytwarzając energię cieplną kierowaną do gazyfikatora. Proces ten określa się często jako „szybką fluidalną gazyfikację” bowiem zapewnia on wysoką przepustowość oraz znaczący uzysk wytwarzanego gazu [22]. Drugą grupę stanowią gazyfikatory, w których część wytworzonego gazu jest wykorzystywana energetycznie celem dostarczenia energii cieplnej do gazyfikatora. Ten typ gazyfikatorów nadaje się do szerokiej gamy materiałów wsadowych. Gazyfikatory pośrednie charakteryzują się wysoką jakością wytwarzanego gazu jednakŜe przy znacznie większych kosztach inwestycyjnych i eksploatacyjnych. W tabeli 5 przedstawiono podstawowe cechy charakteryzujące omówione konstrukcje gazyfikatorów. Tabela 5. Porównanie gazyfikatorów [19] Gazyfikator Gazyfikator Gazyfikator z rusztem stałym fluidalny pośredni o o Parametr konwersja źródło wznoszącym opadowym kierunku kierunku przepływu przepływu gazu gazu z warstwą z źródło warstwą pęcherzykową cyrkulacyjną ciepła koksik ciepła gaz syntezowy +++ +++ + +++ +++ + +++ +++ ++ +++ ++ ++ + + ++ ++ +++ +++ +++ +++ ++ ++ + + węgla wydajność cieplna rozruch gazyfikatora łatwość zarządzania gazyfikatorem Wybrane aspekty termicznej utylizacji komunalnych osadów ściekowych 36 kraking smół + +++ ++ ++ ++ ++ + + + + +++ +++ pirolitycznych wartość kaloryczna otrzymywanego gazu + słaba ++ dobra +++ bardzo dobra Wpływ parametrów procesowych na jakość otrzymywanego gazu w gazyfikatorach z cyrkulacyjną warstwą fluidalną Do parametrów procesowych mających wpływ na wartość ciepła spalania i skład jakościowy gazu otrzymywanego ze zgazowania osadów ściekowych zalicza się m.in. współczynnik nadmiaru powietrza, temperaturę, prędkość gazu oraz wysokość podawania paliwa. Współczynnik nadmiaru powietrza (λ) Współczynnik nadmiaru powietrza odgrywa podstawową rolę mającą wpływ na skład jakościowy wytwarzanego gazu a przez to równieŜ na jego wartość ciepła spalania. Wraz ze wzrostem współczynnika nadmiaru powietrza obserwuje się znaczący wzrost CO2 oraz H2O podczas gdy koncentracja CO, H2 i CH4 ulega obniŜeniu [23,24]. Zmniejszenie koncentracji substancji palnych przy wzroście substancji inertnych powoduje obniŜanie się wartości ciepła spalania. ZaleŜność pomiędzy wartością ciepła spalania a współczynnikiem nadmiaru powietrza w trakcie zgazowania biomasy [24] przedstawiono na rys. 14. Analizując charakter otrzymanej krzywej widać wyraźnie ekspotencjalne zmniejszanie się wartości ciepła spalania przy wzroście współczynnika nadmiaru powietrza. Charakter krzywej potwierdzają równieŜ wyniki badań zamieszczone w pracy [25]. Ciepło spalania gazu otrzymanego w wyniku zgazowania osadów ściekowych wynosiło 4,7 MJ/Nm3 przy λ=0,3 i 1,9 MJ/Nm3 dla λ=0,6. Zwiększanie ilości powietrza podawanego do gazyfikatora przekłada się pozytywnie na stopień konwersji węgla i obniŜenie ilości smół pirolitycznych. Przy współczynniku λ=0,6 konwersja ta wynosiła 96% podczas gdy dla λ=0,3 kształtowała się na poziomie 85% [25]. Wybrane aspekty termicznej utylizacji komunalnych osadów ściekowych 37 Odpowiednia ilość powietrza jest niezbędna do utrzymania temperatury procesu co oznacza, Ŝe im wyŜsza wilgotność w podawanym paliwie tym ilość powietrza powinna być większa. Graniczna wartość współczynnika nadmiaru powietrza λ dla procesu zgazowania wynosi 0,6 choć Vriesmann i inni [24] proponują ograniczyć ją do wartości 0,45 z uwagi na fakt, Ŝe jakość gazu uzyskanego przy współczynniku nadmiaru powietrza powyŜej λ=0,45 nie posiada właściwości predysponujących go do zastosowań energetycznych. 7 Ciepło spalania (MJ/Nm3) 6 5 4 3 2 1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Współczynnik nadmiaru powietrza, (-) Rys. 14. Wpływ współczynnika nadmiaru powietrza na ciepło spalania (T=700-850°C, w=6,6-15%) Temperatura Wraz ze wzrostem temperatury procesu zgazowania obserwuje się stopniowy wzrost wartości ciepła spalania otrzymywanego gazu 7 przy Ciepło spalania (MJ/Nm3) 6 wartości współczynnika nadmiaru powietrza. W λ=0, 22 5 niezmiennej badaniach λ=0, 33 4 przeprowadzonych przez [24] przy wzroście temperatury od λ=0, 37 700°C 3 do 800°C wartość ciepła spalania ulegała zwiększeniu o około λ=0, 47 2 10% (rys 15) 1 Rys. 15. Wpływ temperatury procesu 0 650 700 750 800 850 na wartość ciepła spalania gazu Temperatura, (C) Wybrane aspekty termicznej utylizacji komunalnych osadów ściekowych 38 Spowodowane jest to wyŜszym stopniem konwersji węgla oraz rozkładem wyŜszych węglowodorów, które zachodzą lepiej w wyŜszych temperaturach. W rezultacie uzyskuje się równoczesne znaczące zmniejszenie ilości smół pirolitycznych. Przy wzroście temperatury z 700°C do 815°C ilość smół pirolitycznych w gazie uległa obniŜeniu z 15,2 g/Nm3 do 0,4 g/Nm3 [24]. Oznacza to redukcję na poziomie 97%. Dodatkowo zmniejszenie ilości smół pirolitycznych moŜe być uzyskane przy zastosowaniu katalizatorów. Prędkość gazu fluidyzacyjnego Prędkość gazu fluidyzacyjnego nie odgrywa tak znaczącej roli jak współczynnik nadmiaru powietrza czy temperatura procesu na jakość wytwarzanego gazu jakkolwiek przeprowadzone badania [25], wykazały Ŝe wraz ze wzrostem prędkości gazu obserwowano zwiększającą się koncentrację wodoru, podczas gdy koncentracja CO pozostawała na mniej więcej stałym poziomie. Badania prowadzono dla dwóch prędkości wynoszących odpowiednio 3,5 m/s oraz 5 m/s przy współczynniku nadmiaru powietrza wynoszącym λ=0,3. W oparciu o uzyskane rezultaty badań proponuje się prowadzenie procesu gazyfikacji przy wyŜszej prędkości gazu fluidyzacyjnego [25]. Wysokość podawania paliwa Wysokość podawania paliwa do gazyfikatora ma ścisły związek z prędkością gazu fluidyzacyjnego. Jest oczywistym, Ŝe przy wyŜszych prędkościach cząstki wprowadzane do komory są porywane i nie docierają do dna komory ulegając tam przereagowaniu. W przypadku gazyfikatorów z warstwą pęcherzykową Narvaez [26] doświadczył, Ŝe im mniejsza odległość pomiędzy rusztem a wysokością podawania paliwa tym jakość gazu ulegała wyraźnej poprawie. Chcąc potwierdzić tą zaleŜność dla gazyfikatorów z cyrkulacyjną warstwą fluidalną Petersen et al [25] przeprowadził podobne badania, w których nie doszukał się jednak istotnej zaleŜności pomiędzy tymi parametrami. Sugeruje się jednak aby podawać paliwo bliŜej rusztu, ze względu na lepsze właściwości mieszania w dolnej strefie reaktora zapewniając tym samym lepszy stopień przereagowania. Wybrane aspekty termicznej utylizacji komunalnych osadów ściekowych 39 Gęstość materiału warstwy fluidalnej Interesujące wyniki otrzymano obserwując wpływ gęstości materiału tworzącego warstwę fluidalną na ciepło spalania wytwarzanego gazu. Utrzymując stałą wartość współczynnika nadmiaru powietrza gęstość materiału zwiększano stopniowo od wartości 100 kg/m3 do 140 kg/m3 w dolnej strefie komory [24]. W rezultacie ciepło spalania otrzymywanego gazu uległo zwiększeniu o 35% zwiększając swoją wartość z 3,5 MJ/Nm3 przy gęstości 100 kg/m3 do 4,7 MJ/NMm3 przy gęstości 140 kg/m3. Pozytywny wpływ zwiększenia gęstości materiału warstwy na jakość otrzymywanego gazu wynikać moŜe z zwiększonej koncentracji reagentów oraz lepsze właściwości mieszania w dolnej strefie reaktora. Zgazowanie osadów ściekowych w skali półtechnicznej Zgazowanie jako metoda termicznej utylizacji osadów ściekowych jest metodą stosunkowo nową, w wielu przypadkach na etapie badań i opracowywania rozwiązań technologicznych. Nie umniejszając wagi badań laboratoryjnych dla operatorów oczyszczalni ścieków liczą się rozwiązania stabilne dopracowane technologicznie oraz ekologiczne i ekonomiczne. Takim udanym wdroŜeniem sytemu zgazowania osadów ściekowych moŜe pochwalić się oczyszczalnia ścieków z Balingen, Niemcy, będąca oczyszczalnią mechaniczno-biologiczną oczyszczającą przeszło 10 mln m3 ścieków rocznie. Zgazowanie prowadzone jest w reaktorze z warstwą fluidalną w temperaturze 850°C. Wsad stanowią wysuszone osady ściekowe o zawartości suchej masy od 70 do 95% s.m. oraz uziarnieniu 2-10 mm. Zapewnia to autotermiczność procesu. Osady suszone są na prasach taśmowych w suszarni słonecznej, do których energia elektryczna do napędu pras doprowadzona jest m.in. ze źródła jakim są ogniwa fotowoltaiczne oraz moduł CHP. W zaleŜności od warunków pogodowych czas suszenia osadów waha się od 2 do 8 tygodni. Gazyfikator utylizuje około 230 kg/h wysuszonych osadów, co w zaleŜności od stopnia wysuszenia stanowi ekwiwalent około 160180 kg s.m. osadów. Wytworzony gaz zawiera średnio około 6-10% obj. wodoru, 6-10% obj. tlenku węgla oraz 3-5% obj. metanu. Gaz poddawany jest procesowi oczyszczania a następnie kierowany do turbiny gazowej, która wytwarza energię elektryczną o mocy 70 kW i energię cieplną o mocy 140 kW, zaspokajając potrzeby oczyszczalni. Stały produkt zgazowania jest całkowicie inertny, o strukturze gruzełkowatej i suchy. Spełnia niemieckie normy dotyczące Wybrane aspekty termicznej utylizacji komunalnych osadów ściekowych 40 moŜliwości zastosowania przy produkcji asfaltu, gdzie znajduje powszechne zastosowanie. MoŜliwy jest równieŜ odzysk cennego surowca jakim jest fosfor. Ponadto naleŜy zaznaczyć, Ŝe instalacja spełnia wszelkie niemieckie normy odnośnie substancji gazowych wprowadzanych do atmosfery oraz stanowi uzasadniony ekonomicznie sposób postępowania z coraz większą ilością osadów ściekowych. Wybrane aspekty termicznej utylizacji komunalnych osadów ściekowych 41 5. Podsumowanie Problem zagospodarowania komunalnych osadów ściekowych narasta. Wynika to z coraz większej jego ilości oraz uwarunkowań legislacyjnych, stwarzających coraz mniejsze moŜliwości zagospodarowania w kierunku rolniczego wykorzystania czy składowania. W szczególności mieć tu naleŜy na uwadze, Ŝe począwszy od 2013 roku składowanie nieprzetworzonych osadów ściekowych na składowiskach odpadów będzie zabronione. Wzmaga to zatem coraz częściej konieczność poszukiwania nowych rozwiązań, w tym na drodze termicznej. Wśród zalet tej metody wymienić moŜna z pewnością znaczącą redukcję objętości osadów po spaleniu, brak ograniczeń czasowych w utylizacji oraz recykling energetyczny. Oczywiście występują równieŜ wady. Są to m.in. wysokie koszty budowy mono-spalarni i jej eksploatacji. Bowiem w zaleŜności od wilgotności osadów analiza efektywności energetycznej całościowego procesu moŜe okazać się negatywna, a więc będzie wymagała doprowadzenia energii z zewnątrz do utrzymania procesu spalania. Z kolei w przypadku współspalania taki problem nie wystąpi, z uwagi: po pierwsze ilość współspalanych osadów w stosunku do podstawowego paliwa jest nieznaczna, i w zasadzie nie powinna przekraczać 10% udziału masowego. Po drugie instalacje te wymagają by osady były juŜ wstępnie przygotowane, co oznacza głównie pozbycie się z nich wody. NaleŜy tu równieŜ zauwaŜyć, Ŝe w przypadku współspalania osadów z paliwami mogą wystąpić problemy z dotrzymaniem norm emisji oraz warunków technicznych wymaganych do właściwego prowadzenia współspalania odpadów, a za takie obecnie traktuje się osady ściekowe. Poszukuje się równieŜ rozwiązań alternatywnych, choćby takich jak omówiony w publikacji problem zgazowania osadów. Choć sama technologia zgazowania jest znana od wielu lat to wykorzystanie jej do unieszkodliwiania komunalnych osadów ściekowych jest pomysłem dość nowym i dopiero na etapie poznawczym. Gospodarka osadami ściekowymi w Polsce coraz bardziej nabiera tempa zatem aby sprostać jej wymaganiom, w tym równieŜ utylizacji osadów ściekowych konieczne jest wprowadzanie i testowanie nowych metod mających przede wszystkim na celu realizację recyklingu energetycznego oraz materiałowego. Wybrane aspekty termicznej utylizacji komunalnych osadów ściekowych 42 Literatura 1 Kempa E.S., Systematyka osadów ściekowych, Częstochowa, 1997 Krajowy Program Oczyszczania Ścieków Komunalnych, Ministerstwo Środowiska, 2005 3 Krajowy Plan Gospodarki Odpadami 2010; lipiec 2006 -projekt 4 Bernacka K. Pawłowska L.; Przeróbka i zagospodarowanie osadów z miejskich oczyszczalni ścieków. Instytut Ochrony Środowiska, Warszawa, 1996 5 Kempa E.S.; Osady ściekowe paliwem. Osady ściekowe – przepisy, rozporządzenia, X Konferencja NaukowoTechniczna, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa, 1999 6 Grabowski Z.; Wartość opałowa i ciepło spalania jako parametry energetyczne odpadów, Gaz Woda i Technika Sanitarna, 3/92, 1992 7 Grabowski Z., Oleszkiewicz J. Spalanie osadów, Podstawy oraz praktyka przeróbki i zagospodarowania osadów, Kraków, 1998 8 World Bank Technical Guidance Report: Municipal Solid Waste Incineration. Washington, 1999 9 Gerhardt Th., Rebmann M., Spliethoff H., Hein K.R.G.: Untersuchungen zur Mitverbrennung von kommunalen Klärschlämmen in Kohlenstaubfeuerungen. VGB Kraftwerkstechnik 76, 1996 10 Zuwała J. Współspalanie komunalnych osadów ściekowych w Elektrociepłowni Gdańskiej drogą do rozwiązania problemu ekologicznego i elementem zrównowaŜonego rozwoju, „Energia odnawialna na Pomorzu Zachodnim”, Szczecin, 2006 11 Wawszczak A. Techniczne moŜliwości współspalania komunalnych osadów ściekowych z węglem w kotłach energetycznych, Archiwum spalania, Nr 1-2, 2008 12 Stelamch S., Wasilewski R., Zuwała J. Sobolewski A. Komunalne osady ściekowe jako paliwo odnawialne – droga do współspalania w energetyce zawodowej 13 Duda J., Energooszczędne i proekologiczne techniki wypalania klinkieru cementowego, prace IMMB Opole,2004 14 Środa B.: Współspalanie osadów ściekowych w cementowniach. Wodociągi – Kanalizacja, 9(43)/2007 15 Broszura: Współspalanie paliw alternatywnych w przemyśle cementowym, 2006 16 Sładeczek F. MoŜliwości współspalania osadów ściekowych w przemyśle cementowym i w energetyce, 17 Bierbach H, Thomas G. Verfahren zur thermischen Mischkla ¨rschlammbehandlung [Processes for thermal coprocessing of sewage sludge]. In: Klarschlamm Entsorgung 1, Daten-Dioxine, Entwa ¨sserung, Verwertung. Dusseldorf: Entsorgungsvorschlage-VDI, GbmH, 1991 18 Tejima H. Gemeinsame Verbrennung von Hausmull und Schlamm-Erfahrung in Japan [Combined combustion of household wastes and sewage sludge-experience in Japan]. In: Thome-Kozmiensky K, Loll U, editors. Recycling von Klarschlamm. Berlin: EF fur Energie-und-Umwelttechnik GmbH, 1987:267–275 19 V. Belgiorno, G. De Feo, C. Della Rocca, R.M.A. Napoli; Energy from gasification of solid wastes; Waste Management 23 (2003), pp.1 –15 20 Di Blasi; Dynamic behaviour of stratified downdraft gasifier. Chemical Engineering Science 55 (2000), pp. 2931 –2944. 21 P. Quaak, H. Knoef ,H. Stassen; Energy from biomass. World Bank technical paper no. 422 (1999). 22 M. Farris, M.A. Paisley, J. Irving, R.P Overend; The Biomass Gasification Process by Battelle/FERCO: Design, Engineering, Construction and Startup. Gasification Technology Conference (1998). 23 C. Chen, M. Horio, T. Kojima; Numerical simulation of entrained flow coal gasifiers. Part II: Effects of operating conditions on gasifier performance, Chem. Eng. Sci. 55 (2000) 3875–3883. 24 X.T.Li , J.R.Grace, C.J.Lim, A.P.Watkinson , H.P.Chen , J.R.Kim; Biomass gasification in a circulating fluidized bed, Biomass and Bioenergy 26 (2004) 171 –193 25 I. Petersen, J. Werther, Experimental investigation and modeling of gasification of sewage sludge in the circulating fluidized bed, Chemical Engineering and Processing (2004) 26 I. Narvaez, A. Orio, M.P. Aznar, J. Corella, Biomass gasification with air in an atmospheric bubbling fluidized bed. effect of six operational variables on the quality of the produced raw gas, Ind. Eng. Chem. Res. 35 (1996) 2110–2120 2 Wybrane aspekty termicznej utylizacji komunalnych osadów ściekowych 43
