Výhody energetického využívání čistírenských kalů

Energeticky využitelný bioplyn se ve speciálních energetických jednotkách využívá k výrobě elektrické energie. Energeticky nevyužitelný (přebytečný) bioplyn se většinou bez dalšího využití spaluje, např. v tzv. hořácích zbytkového plynu. Pokud se vyhnilý kal spaluje, může být přebytečný bioplyn použit jako určitý podíl přídavného paliva nutného k realizaci dostatečně kvalitního spalovacího procesu.

Vyhnilý kal

Po procesu vyhnívání jsou kaly odvodněny zpravidla na 25 až 30 % sušiny. Množství vyhnilého kalu je jen asi o 20 % menší než množství kalu surového.

Vyhnilý kal se -pokud to jeho kvalita dovolí -používá v zemědělství k hnojení půdy. Jestliže kvalita vyhnilého kalu nedovolí jeho použití v zemědělství (což je časté), musí se za použití přídavného paliva (topného oleje, zemního plynu, popř. bioplynu) spalovat. Entalpie spalin se sice využívá k výrobě elektrické energie nebo ke kogeneraci elektrické a tepelné energie, avšak takto získaná energie je podmíněna použitím fosilního paliva, tedy neobnovitelného zdroje energie. V horším případě se vyhnilý kal skládkuje. V popsaném počínání je těžké najít racionální smysl.

Čistírenské kaly pocházející z větších aglomerací vesměs nevyhovují pro použití v zemědělství. Například tisková zpráva švýcarského Spolkového úřadu pro životní prostředí, les a krajinu BUWAL uvádí, že používání čistírenských kalů v zemědělství bude postupně utlumováno a veškeré čistírenské kaly budou spalovány. Důvodem plánovaného úplného zrušení používání čistírenských kalů v zemědělství je také skutečnost, že čistírenské kaly obsahují nejen živiny, ale také celou řadu škodlivin -těžké kovy, perzistentní organické škodliviny PCB, PCDD/F a další organické škodliviny, např. zbytky léků nebo přirozené a umělé hormony. S úplným zákazem používání čistírenských kalů v zemědělství se počítá v letech 2003 až 2005.

Ve Vídni, kde se spaluje veškerý surový čistírenský kal, byly v odpadní vodě zjištěny neobvykle vysoké koncentrace stříbra. Od roku 2004 bude pro ukládání na skládku platit nová limitní hodnota 50 mg stříbra/kg sušiny. Pak je otázkou, zda bude možné na skládky ukládat popílek coby zbytkový materiál ze spalovacího procesu. Očekává se, že s popílkem ze spalovacího procesu bude uloženo na skládku zbytkových materiálů přes 900 kg stříbra ročně.

Surový kal

Východiskem z popsané situace může být energetické využívání surových, nevyhnilých kalů -přímé spalování s využitím entalpie spalin většinou k výrobě páry v odpovídajícím parním kotli. Významnou výhodou této technologie je skutečnost, že se odvodněný surový kal může vkládat přímo do ohniště, takže odpadá prostorově a investičně nákladné vyhnívání surového kalu i energeticky náročné sušení nebo předsoušení vyhnilého kalu.

Pro využití surového kalu jako zdroje energie, tedy pro jeho spalování bez použití přídavného paliva, je nutné dosáhnout autarkního spalování při adiabatické spalovací teplotě 850 ^oC. K tomu musejí být splněny dvě podmínky: minimální hodnota výhřevnosti a vhodný typ ohniště pro vlastní spalovací proces.

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 voda vzniklá spálením vodíku v palivu -je ve stavu vodní páry.) Hodnotu výhřevnosti lze na základě elementární analýzy stanovit výpočtem pomocí sumárních vzorců.

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

Efektivní výhřevnost vlhkého kalu Huef lze získat z výhřevnosti sušiny organického a anorganického podílu HuTS při uvážení výparného tepla vody obsažené ve vlhkém kalu. V této souvislosti je třeba připomenout, že je nutné dosáhnout dostatečného stupně odvodnění surového kalu, zpravidla 30 % sušiny.

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

Fluidní ohniště

Vhodným typem ohniště pro energetické využití (spalování) surového kalu může být fluidní ohniště.

Fluidní lože je vrstva většinou jemně zrnitých pevných částic (zpravidla křemičitého písku), kterou odspodu protéká médium (např. vzduch). Pevné částice jsou při průtoku natolik uvolněny, že se nacházejí ve vířivém - fluidním stavu, a vytvářejí tak vlastní fluidní lože.

Jestliže se při provozní teplotě spalovacího fluidního lože vloží palivo (kal), dochází k vypaření vody a k zážehu sušiny - ke spalování vsázkového paliva. Pro udržení rovnováhy energetické bilance spalovacího procesu je nezbytné, aby energie sušiny (výhřevnost sušiny) a ostatní teplo přivedené do ohniště (teplo paliva, teplo předehřátého vzduchu, popř. pomocného paliva) 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 zajištění dostatečného podílu sušiny ve vlhkém kalu (dostatečný stupeň odvodnění) stěžejním procesním krokem v technologickém řetězci energetického využívání kalů.

Kinetika pohybu směsi plynu a pevných částic ve fluidním loži a jeho termodynamika je velmi složitá. V dohledné době nebudou k dispozici ani teoretické nástroje, které by umožnily jednoznačný návrh procesního zařízení. Proto je při návrhu zařízení a reaktorů nutné spoléhat na (nákladné) modelové experimenty a na provozní zkušenosti. Někdy je nutné, i když energeticky nevýhodné, předsoušet kal určený k energetickému využívání. Tento procesní krok je investičně i provozně velmi náročný.

K faktorům důležitým pro návrh provozně spolehlivého reaktoru patří jeho geometrické poměry (průměr roštu/výška spalovacího prostoru/výška vertikální části reaktoru), způsob vstupu sekundárního vzduchu a také způsob vstupu paliva (čistírenského kalu) do spalovacího prostoru reaktoru. Právě nesprávně zvolený způsob dávkování paliva je zdrojem nákladných provozních problémů.

Při znalosti uvedených základních hodnot lze navrhnout provozně spolehlivý reaktor na fluidní spalování čistírenských kalů. Měl by mít fond provozní doby 8000 h/r, stabilitu spalování (rovnováhu energetické bilance při spalovacím procesu), tj. určitou necitlivost na změnu kvality kalu (stupeň odvodnění -výhřevnost). Potřebný je také široký rozsah tepelného výkonu ohniště (40 až 120 %), rychlé a plynulé najíždění i odstavování spalovací jednotky a bezproblémový odvod popelovin.

Klady

Energetické využívání kalů (EVK) má tyto výhody:

Kal je obnovitelný zdroj energie.

EVK neovlivňuje bilanci CO₂ na Zemi.

Zařízení EVK lze zpravidla umístit v areálu nebo v blízkosti areálu čistírny odpadních vod, takže nevznikají žádné náklady na dopravu kalu.

Proces EVK umožní výraznou objemovou a hmotnostní redukci kalu. Jestliže při vyhnívání je nutné denně odstraňovat 100 t vlhkého vyhnilého kalu, při spalování surového (nevyhnilého) kalu je třeba denně odstraňovat jen asi 10 t zbytkového materiálu.

Zbytkový materiál z provozu EVK je anorganický a lze ho snadno dopravovat na odpovídající skládku.

Zařízení EVK vyrábí elektrickou energii pro vlastní spotřebu.

Provoz zařízení EVK je zajištěn tak, že nemůže dojít k šíření infekčních chorob (salmonelózy, BSE atd.), ani k úniku pachů do ovzduší.

Emise z provozu zařízení EVK jsou hluboko pod emisními limity ČR a směrnice EU o spalování odpadů č. 2000/76 ze dne 4. 12. 2000.

Provoz zařízení EVK je možný ve všech ročních období, lze ho přizpůsobit přicházejícímu množství odpadních vod; vhodně navržené zařízení může v případě přechodného zvýšení množství odpadních vod pracovat až na 150 % jmenovité kapacity.

Vhodné dispoziční řešení umožní zvýšit jmenovitou kapacitu dostavbou další výrobní jednotky.

EVK umožní odstranit vyhnívací nádrže čistíren odpadních vod a využít jejich prostor k intenzifikaci procesu čištění odpadních vod na úroveň požadovanou EU.

Zařízení EVK představuje ověřenou technologii fungující ve velkých městech Evropy (Frankfurtu, Paříži, Vídni aj.); je to dlouhodobé, úspěšné a finančně únosné řešení tzv. kalové koncovky.

Doc. Ing. Jaroslav Hyžík,

EIC, s. r.o.

(Vyšlo v časopise Energetika 2/2003, redakčně kráceno)