Energetické využívání surových čistírenských kalů

Rozšířený způsob manipulace s čistírenskými kaly spočívá v jejich (částečném) vyhnívání, neboli v určité redukci organického podílu zhruba ze 70 % na 50 %. Tento způsob vyžaduje instalaci tzv. vyhnívacích nádrží, ve kterých nastává vlastní redukce organického podílu kalu za současné generace bioplynu na bázi metanu. Produkty této manipulace s čistírenskými kaly jsou tedy bioplyn a (částečně) vyhnilý kal.

Zdroj bioplynu

Energeticky využitelný bioplyn se ve speciálních energetických jednotkách (zpravidla kombinace pístového spalovacího motoru a rotačního agregátu - generátoru) využívá k výrobě elektrické energie. Energeticky nevyužitelný, resp. přebytečný bioplyn se většinou bez dalšího využití spaluje (například v hořácích zbytkového plynu).

Po procesu vyhnívání jsou kaly zpravidla na přibližně 25 % až 30 % sušiny odvodněny. Množství vyhnilého kalu je jen asi o 20 % menší než množství kalu surového. Vyhnilý kal se, pokud jeho kvalita dovolí, používá v zemědělství jako příspěvek k hnojení půdy.

Pokud kvalita vyhnilého kalu nedovolí jeho použití v zemědělství (což se často stává), musí se spalovat za použití přídavného paliva, což bývá často neobnovitelný zdroj (topný olej, zemní plyn, částečně případně bioplyn). V horším případě se vyhnilý kal skládkuje.

Vyhnilé kaly -nevhodné pro zemědělství

Cílem tohoto příspěvku není prokazování nevhodnosti používání vyhnilých čistírenských kalů pro zemědělské účely. Nicméně je prokazatelné, že čistírenské kaly pocházející z větších aglomerací nevyhovují pro použití v zemědělství.

Jako příklad je možno uvést tiskovou zprávu, kterou poskytl švýcarský Spolkový úřad pro životní prostředí, les a krajinu (BUWAL). Prosazuje postupné utlumení používání čistírenských kalů v zemědělství. Veškeré množství čistírenského kalu má být v budoucnu spalováno.

Důvodem je, že čistírenské kaly obsahují nejen živiny, ale také celou řadu škodlivin. Jde o těžké kovy, perzistentní organické škodliviny - PCB, PCDD/F, zbytky léků, přirozené a umělé hormony apod. Ve Švýcarsku se s úplným zákazem používání čistírenských kalů v zemědělství počítá v příštích letech.

Řešení pro nevyhnilý kal

Východiskem může být energetické využití surového, nevyhnilého kalu - přímé spálení s využitím entalpie spalin většinou k výrobě páry v odpovídajícím parním kotli. Komplexní technologické řetězce k energetickému využívání surového kalu, včetně dokonalého ekologického zajištění (minimalizace emisí do ovzduší, kultivace zbytkových materiálů) byly dostatečně vyvinuty a provozně ověřeny teprve nedávno.

Výhodou této technologie je skutečnost, že se může odvodněný surový kal vkládat přímo do ohniště, tedy odpadá prostorově a investičně nákladný procesní krok vyhnívání surového kalu a jeho sušení či předsoušení.

Pro energetické využití surového kalu jako zdroje energie, tedy pro spalování bez použití přídavného paliva, je nutné dosažení autarkního spalování při adiabatické spalovací teplotě 850^oC. K tomu musí být splněny dvě podmínky:

- dosažení minimální hodnoty výhřevnosti,

- použití vhodného typu ohniště pro vlastní spalovací proces.

V porovnání s "klasickým" vyhníváním má tato metoda výhodu v nemalých úsporách zastavěného prostoru a ve snížení nákladů na zpracování kalů.

- Výhřevnost kalu

Výhřevnost kalu (dříve se používal termín spodní nebo dolní výhřevnost) je základní vlastnost paliva, která je určující pro návrh spalovacího procesu. Je dána množstvím tepla, které se uvolní dokonalým spálením paliva. Voda ve spalinách (voda z paliva nebo vzniklá spálením vodíku paliva) je ve stavu vodní páry. V této souvislosti je zmiňována:

- výhřevnost sušiny organického podílu vlhkého kalu (HuoTS),

- výhřevnost sušiny organického a anorganického podílu (HuTS) kalu,

- efektivní výhřevnost vlhkého kalu (Huef).

Hodnotu výhřevnosti lze stanovit výpočtem pomocí sumárních vzorců na základě elementární analýzy.

Z praktického hlediska je pro návrh spalovacího procesu výhodné určovat výhřevnost sušiny organického a anorganického podílu (HuTS) kalu. Ta se pohybuje v rozmezí 14 až 20 MJ/kg sušiny.

Efektivní výhřevnost vlhkého kalu (Huef) se může získat z výhřevnosti sušiny organického a anorganického podílu (HuTS) při zohledněnívýparného tepla vody obsažené ve vlhkém kalu.

Pro dosažení autarkního průběhu spalování při adiabatické spalovací teplotě 850 oC je nutná minimální hodnota efektivní výhřevnosti vlhkého kalu Huef = 4,2 MJ/kg.

Pro docílení energetické bilanční rovnováhy spalovacího procesu je možné (v konvektivnímu systému kotle) předehřívat primární vzduch na potřebnou teplotu.

Fluidní ohniště

Tato technologie našla uplatnění tam, kde je výhodou vyšší relativní rychlost mezi pevnými částicemi a vysoký stupeň promíchání obsahu lože. S úspěchem se používá u chemických procesů, u procesů sušení, čištění spalin, zplynování a pro spalování nízkohodnotných paliv, mezi nimi i čistírenských kalů.

Fluidní lože je vrstva většinou jemně zrnitých pevných částic (zpravidla křemičitý písek), která je odspodu protékána médiem (např. vzduchem). Pevné částice jsou při průtoku tak dalece uvolněny, že se nacházejí ve vířivém - fluidním stavu a vytvářejí tak vlastní fluidní lože.

Když je při provozní teplotě spalovacího fluidního lože vloženo palivo (kal), dochází k vypaření vody a k zážehu sušiny - k spalování vsázkového paliva. Pro udržení rovnováhy energetické bilance spalovacího procesu je nezbytné, aby energie sušiny (výhřevnost) a ostatní do ohniště vložené teplo (teplo paliva, předehřátého vzduchu, případně podpůrné palivo) pokryly výparné teplo vody obsažené v palivu, teplo potřebné na přehřátí vodních par obsažených ve spalinách a teplo potřebné na ohřátí spalin. Z tohoto důvodu je naprosto stěžejním procesním krokem zajištění dostatečného podílu sušiny ve vlhkém kalu (dostatečný stupeň odvodnění). Jako primární vzduch se používá okolní vzduch.

Do horního prostoru fluidního lože je dále vháněn sekundární vzduch, který slouží k dokončení procesu termicko-oxidační reakce. Sekundární vzduch sestává ze směsi různých výduchů a odvětrání technologických agregátů i okolního vzduchu z prostoru kotelny.

Návrh reaktoru

Kinetika pohybu směsi plyn - pevné částice ve fluidním loži a jeho termodynamika jsou natolik komplexní, že jejich přesný matematický popis nebude v blízké době možný. Rovněž nebudeme v dohledné době disponovat takovými teoretickými nástroji, které umožní jednoznačný návrh procesního aparátu. Proto je při návrhu aparátů a reaktorů nutno spoléhat na (veskrze nákladné) modelové experimenty a na provozní zkušenosti.

Reaktor na fluidní spalování čistírenských kalů (někdy označení fluidní pec) se skládá z prostoru primárního vzduchu, spalovacího roštu (různé typy konstrukce), vlastního spalovacího prostoru, vertikální části (šachta) a odvodu spalin (přechod ke kotli).

Některé typy reaktorů mají ve vertikální části nad spalovacím prostorem zabudované konvektivní plochy kotle. Rovněž je možná taková konstrukce, že je vlastní fluidní ohniště integrované do spodní části kotle. V případech vyšší výhřevnosti paliva se vkládají do prostoru fluidního lože ponorné konvektivní plochy řazené do systému kotle jako výparník.

Při návrhu reaktoru na fluidní spalování se pracuje s hodnotami či specifickými údaji, které jsou v praxi již dostatečně ověřené.

Jedná se zpravidla hlavně o následující hodnoty:

Dalšími důležitými faktory pro návrh provozně spolehlivého reaktoru jsou jeho geometrické poměry (průměr roštu/výška spalovacího prostoru/výška vertikální části reaktoru), způsob vstupu sekundárního vzduchu, a v neposlední řadě způsob vstupu paliva (čistírenského kalu) do spalovacího prostoru reaktoru (bývá zdrojem nákladných provozních problémů).

Při znalosti výše uvedených základních hodnot lze v podstatě navrhnout provozně spolehlivý reaktor na fluidní spalování čistírenských kalů, který by měl vykazovat tyto vlastnosti:

- fond provozní doby 8000 h/rok,

- stabilitu spalování (rovnováhu energetické bilance při spalovacím procesu) - určitou necitlivost na změnu kvality kalu,

- široký rozsah tepelného výkonu ohniště (40 až 120 %),

- rychlé a plynulé najetí i odstavení spalovací jednotky,

- bezproblémový odvod popelovin.

Konkrétní projekt

Ke spalování jsou používány odpady 19 08 01 -shrabky z česel (kategorie O) a 19 08 05 -stabilizovaný kal z čištění komunálních odpadních vod (kategorie O). Jde o nevyhnilý kal z ČOV.

Kompletní technologický řetězec je navržen z následně uvedených jednotlivých provozních souborů:

- meziskladování neodvodněného nevyhnilého kalu,

- doprava k odvodnění a odvodnění kalu,

- využití shrabků,

- zásobník odvodněného kalu,

- doprava ke spalování,

- dávkování kalu do spalovacího zařízení a vlastní spalování,

- výroba páry,

- využití energie,

- čištění spalin,

- odvod spalin do atmosféry,

- úprava odpadních vod,

- úprava a odstraňování zbytkových materiálů z čištění spalin,

- odpopelňování, odvod zbytkových materiálů z fluidního lože,

- pomocné provozy.

Závěr

Tento příspěvek vznikl na základě vlastních zkušeností autora získaných při navrhování, realizaci a při provozu technologických řetězců zařízení na spalování surových kalů, využití energie ze spalovacích procesů a procesů čištění spalin jako dovybavení k existujícím spalovnám komunálního odpadu. V závorce je uveden rok uvedení zařízení do provozu, například:

Cellulose Attisholz-CH (1975)

Leykam Mürztaler-A (1982)

Bern-CH (1984)

Solothurn-CH (1986)

Oftringen-CH (1993)

Winterthur-CH (1995)

Dietikon-CH (1997)

Praha-CZ (1998)

Liberec-CZ (1999)

Jaroslav Hyžík,

EIC, spol. s r.o.

Výhody energetického využití surových kalů (EVK)

Kal je obnovitelným zdrojem energie.

EVK neovlivňuje bilanci CO² Země.

Odpadá instalace prostorově a investičně náročných vyhnívacích nádrží.

Zařízení EVK lze umístit v areálu čistírny odpadních vod (ČOV) -žádné náklady na dopravu kalu.

Proces EVK umožní výraznou objemovou a hmotnostní redukci kalu. Je-li při pouhém vyhnívání nutno denně odstraňovat 100 tun vlhkého vyhnilého kalu, je při spalování surového, nevyhnilého kalu nutno denně odstraňovat cca 10 tun zbytkového materiálu.

Zbytkový materiál z provozu EVK je anorganický (snadné skládkování).

Zařízení EVK vyrábí elektrickou energii pro vlastní spotřebu.

Nedochází k úniku čichově zátěžových látek do ovzduší.

Emise z procesu EVK jsou minimální, hluboko pod emisními limity ČR a pod emisními limity směrnice EU č.2000/76 o spalování odpadů.

Provoz EVK je flexibilní podle přicházejícího množství odpadních vod.

Při přechodném zvýšení množství odpadních vod možnost zpracování až 150 % jmenovité kapacity.

Možnost zvýšení jmenovité kapacity dostavbou další výrobní jednotky.

Ověřená technologii fungující ve velkých městech Evropy (Frankfurt, Paříž, Vídeň).

Vyloučeno nebezpečí šíření infekčních chorob.

Prostor po vyhnívacích nádržích lze využít k intenzifikaci procesu čištění.

Dlouhodobé definitivní, úspěšné a finančně únosné řešení tzv. kalové koncovky.