METODYKA OKREŚLANIA STRAT I ILOŚCI WYTWARZANEGO CIEPŁA W PROCESIE KOMPOSTOWANIA ODPADÓW BIOLOGICZNYCH

Transkrypt

1 I N Ż Y N I E R I A ROLNICZA A G R I C U L T U R A L ENGINEERING 0: Z. 4(9) T. S ISSN Polskie Towarystwo Inżynierii Rolnicej METODYKA OKREŚLANIA STRAT I ILOŚCI WYTWARZANEGO CIEPŁA W PROCESIE KOMPOSTOWANIA ODPADÓW BIOLOGICZNYCH Piotr Sołowiej Katedra Elektrotechniki Energetyki Elektroniki i Automatyki Uniwersytet Warmińsko-Maurski w Olstynie Strescenie. Kompostowanie jest procesem biologicnym, w którym w faie termofilnej wydielane są nacne ilości ciepła. W pracy predstawiono metodykę wylicania ilości ciepła wytwaranego w procesie kompostowania odpadów biologicnych w iolowanych, napowietranych bioreaktorach. Scególną uwagę wrócono na sposób oblicenia strat ciepła pre obudowę bioreaktora. Metodykę opracowano w oparciu o powsechnie nane ależności i polskie normy. Predstawiono także koncepcję odyskiwania nadmiaru ciepła kompostowania odpadów. Głównym celem opracowanej metodyki jest dostarcenie informacji niebędnych do projektowania urądeń umożliwiających odprowadenie nadmiaru ciepła kompostowanej prymy, be skodliwego wpływu na prebieg procesu i jakość produktu końcowego jakim jest humus. Odpowiednio dobrany sposób odbioru ciepła prymy kompostu, może być cynnikiem utrymującym temperaturę łoża na optymalnym poiomie i prycynić się do wydłużenia fay termofilnej i tym samym skrócenia casu trwania procesu. Słowa klucowe: kompostowanie, utyliacja odpadów, odysk ciepła Wprowadenie Kompostowanie jako metoda utyliacji odpadów biologicnych stosowane jest od bardo dawna. Niewielkie nakłady energetycne ora możliwość wykorystania powstałego produktu jako wysokowartościowy nawó rolnicy decydują o serokim astosowaniu tego procesu. W praktyce stosowane są różne technologie kompostowania: w prymach lub boksach na wolnym powietru, w systemach iolowanych komór lub obracających się bębnach kontrolowanym napowietraniem [Dach, Sęk 996; Dach i in. 00; Fernánde 00]. Efektywność tego procesu bardo w nacnym stopniu uależniona jest od odpowiedniego stopnia napowietrenia ora kontroli wilgotności pre cały okres jego trwania. Kompostowanie jest to suma procesów mikrobiologicnych polegających na pretworeniu pre mikroorganimy materiału biologicnego do postaci humusu. Poa humusem

2 Piotr Sołowiej mikroorganimy wytwarają nacne ilości dwutlenku węgla uwalnianego do atmosfery, a jednoceśnie produkują nacne ilości ciepła. Najważniejsym parametrem obraującym prebieg procesu kompostowania jest temperatura [Liang i in. 00; Miyatake i Iwabuchi 006]. Proces ten dieli się na try fay: meofilną, termofilną i stabiliacji. W faie meoflinej można auważyć dużą aktywność mikroorganimów meofilnych, których pożywieniem jest łatwodegradowalna materia organicna głównie cukry i aminokwasy. Temperatura w tej faie awiera się w prediale 5 45ºC. Powyżej 45ºC wyhamowana ostaje aktywność mikroorganimów meofilnych, a uaktywniają się mikroorganimy termofilne, których procesy metabolicne podnosą temperaturę łoża do 70 80ºC. Trecia faa to faa schładania i dojrewania na skutek mniejsania się populacji mikroorganimów termofilnych temperatura obniża się do około 5 40ºC, aktywność podejmują mikroorganimy meofilne, aż do momentu pretworenia poostałej ilości biomasy. Odpowiednie napowietranie prymy kompostu powoduje predłużenie fay termofilnej procesu [Dach i in. 004, 007], a co a tym idie więksenie ilości pretworonego (w tej faie) materiału biologicnego. Prycynia się to do więksenia efektywności procesu utyliacji odpadów biologicnych metodą kompostowania popre skrócenie casu trwania całego procesu, ora wpływa na mniejsenie emisji metanu do atmosfery. Stopień aeracji powinien być jednak tak dobrany, aby dostarcyć odpowiednią ilość tlenu niebędnego organimom termofilnym do życia i jednoceśnie nie spowodować nadmiernym napowietraniem wychłodenia prymy ora byt dużego spadku wilgoci, co może doprowadić do spowolnienia a nawet ahamowania procesu. Analiując tempo wydielania dwutlenku węgla, pobierania tlenu ora stopień pretworenia biomasy podawanych pre kilku autorów [Finstein 975; Strom 978, Rothbaum 96; Wiley 957] stwierdono, że najwyżse aktywności metabolicne mikroorganimów rejestrowane są w temperature bliżonej do 60ºC, a jest to temperatura optymalna dla decydowanej więksości mikroorganimów termofilnych. Produkcja ciepła o temperature 60 65ºC w prymie kompostu prycynia się nie tylko do pasteryacji i likwidacji patogenów, lec obok napowietrania decyduje o głębsej dekompoycji materii organicnej [Macgregor i in. 98]. Ciepło to e wględu na strukturę i właściwości fiycne kompostowanego materiału biologicnego, kumuluje się w kompostowanej prymie osiągając temperatury nawet powyżej 80ºC. Dokonywano już prób wykorystania ciepła powstałego w procesie kompostowania dla celów grewcych [Sołowiej 007]. Powyżse informacje powalają na sformułowanie ałożeń, które powoliłyby na optymaliację procesu utyliacji odpadów biologicnych popre odprowadenie nadmiaru ciepła celem utrymania temperatury łoża w akresie 55 60ºC jednocesną kontrolą napowietrania i wilgotności kompostowanego materiału. Regulację temperatury łoża kompostu można by preprowadić a pomocą regulacji intensywności napowietrania, ale istnieje duże prawdopodobieństwo, że byt duże prepływy powietra spowodowałyby odprowadenie wilgoci nadmierne wysusenie łoża, co w reultacie doprowadiłoby do spowolnienia i w skrajnych prypadkach do atrymania procesu kompostowania. Powstała idea wprowadenia do prymy kompostu wymienników ciepła, które w sposób kontrolowany mogłyby odprowadić nadmiar ciepła. Odbiór ciepła następowałby tylko w momencie osiągnięcia ałożonej temperatury łoża. Projektowanie takiego wymiennika ciepła wymaga wiedy na temat ilości ciepła jaką taki wymiennik powinien odprowadić. 78

3 Metodyka określania strat... Rys.. Fig.. Bilans ciepła bioreaktora Bioreactor heat balance Oblicenie ilości ciepła koniecnego do odprowadenia dla utrymania odpowiedniej temperatury wymaga opracowania odpowiedniej metodologii. Metodologia ta powinna obejmować wsystkie strumienie ciepła dostarcanego, wytwaranego i traconego w procesie kompostowania. Ze wględów na koniecność kontroli napowietrania i strat ciepła do otocenia metodologia ostanie ogranicona do amkniętych bioreaktorów. Sposoby oblicania ciepła generowanego w procesie kompostowania, jak i jego ropływu są dobre nane [Ekinci i in. 006; Kaiser 996; Mudhoo i Mohee 006, 008; Nakayama i in. 007; Petric i Selimbasic 008]. Treba jednak auważyć, że wsyscy ci autory pry oblicaniu strat ciepła pre obudowę bioreaktora posługują się ogólnym współcynnikiem prenikania ciepła pre obudowę be uwględnienia kierunku prepływu strumienia energii, różnic w opore prejmowania ciepła i temperatur wewnątr bioreaktora. Zaproponowana metodologia jest rowinięciem rowiąania aproponowanego pre Kaser a [Kaiser 996]. Rowinięcie to dotycy oblicania strat ciepła do otocenia pre obudowę bioreaktora. Bilans ciepła dla bioreaktora predstawia następujące równanie: Q ilość ciepła bioreaktora [kj]; dq dq dq dq bio wej wyj dqs () dt dt dt dt dt dq bio dt pryrost ciepła wytworonego pre mikroorganimy [kj h - ], dq wej dt strumień ciepła dostarconego pre napowietranie [kj h - ], dq wyj dt strumień ciepła w powietru wychodącym [kj h - ], dq s dt strumień ciepła tracony popre ściany bioreaktora [kj h - ]. 79

4 Piotr Sołowiej Strumień ciepła doprowadony do bioreaktora pre napowietranie dq dt wej dvwej hwej () dt V wej objętość powietra dostarconego w casie kompostowania [m ], h wej entalpia powietra dostarconego w casie kompostowania [kj m - ]. h wej h h r f c T () parywodnej wej powsuchego wej r ciepło właściwe parowania wody dla 60ºC = 59 [kj kg - ], c pd ciepło właściwe powietra suchego =,9 [kj m - K - ] pry atm i 0ºC, f wej (bewględna) wilgotność pary wodnej awartej w powietru wejściowym [kg m - ]; temperatura powietra wejściowego [ºC]. T wej Strumień ciepła prekaywany bioreaktora w powietru opuscającym bioreaktor dq dt wyj wej parywodnej powsuchego h h r f (T ) c T (4) wyj wyj f sat (T) =0 0,0 T-,9 : wilgotność nasyconego powietra [kg m - ], wartości akresu ( 0 T 80C ) godnie Campbell (Campbell 997). Strumień ciepła prekaywany pre obudowę do otocenia Sposób oblicenia ilości ciepła prekaywanego pre obudowę bioreaktora aproponowany pre Kaiser a [99] jest bardo ogólny: dq dt T sat pd wej pd u T (5) T temperatura wewnątr bioreaktora [ºC], T temperatura otocenia [ºC], u ogólny współcynnik prenikania ciepła pre obudowę [kj K - h - ], Opracowując sposób oblicania strat pre obudowę pryjęto, że pomijając drobne różnice konstrukcyjne, ogólna budowa bioreaktorów do kompostowania odpadów biologicnych jest bardo podobna (rys. ). 80

5 Metodyka określania strat... Rys.. Ogólna budowa bioreaktorów Fig.. General structure of bioreactors W prypadku potreby określenia strat ciepła pre obudowę należy identyfikować strumienie ciepła opuscające bioreaktor pre obudowę (rys. ). Zakładając, że struktura ścian bioreaktora jest wsędie taka sama (dno, ściany bocne, pokrywa) wielkość strumienia będie ależała od jego kierunku, różnicy temperatur ora od oporu prejmowania ciepła wewnątr bioreaktora. Metoda oblicenia oporu cieplnego i współcynnika prenikania ciepła ostała opracowana na podstawie normy PN-EN ISO 6946:008, a dla mostków cieplnych PN-EN ISO 468:008. Założono, że bioreaktor ma kstałt seścianu foremnego o długości krawędi ewnętrnej L. Zwykle ściany bioreaktora budowane są trywarstwowo: warstwa wewnętrna ( wytrymała, odporna na koroję) o grubości d [m], i współcynniku prewodenia ciepła λ [W m - K - ]; warstwa iolacji o grubości d [m] i współcynniku prewodenia ciepła λ [W m - K - ]; obudowa ewnętrna o grubości d [m] i współcynniku prewodenia ciepła λ [W m - K - ]; Wobec tego grubość ściany bioreaktora: d d (6) d d Międy wnętrem bioreaktora o temperature T w a otoceniem o temperature T strumień ciepła pre obudowę: strumień ciepła [W]; H st współcynnik strat ciepła obudowy [W K - ] T w temperatura wewnętrna bioreaktora [K], temperatura otocenia [K]. T H (T T ) (7) st w 8

6 Piotr Sołowiej Ilość ciepła Q prekaywanego pre pregrodę: Q ilość prekaywanego ciepła [J], t cas [s]. Współcynnik strat ciepła pre pregrodę oblicamy: Q t H (T T (8) H st st w AU l (9) A pole pregrody [m ], U współcynnik prenikania ciepła pregrody [W m - K - ], liniowy współcynnik prenikania ciepła liniowego mostka [W m - K - ], l długość mostka [m]. Współcynnik prenikania ciepła pregrody (wg PN-EN ISO 6946:008): R p U (0) R p całkowity opór cieplny pregrody [m K W - ], wylicono e standardowej ależności: R d p () d grubość warstwy materiału [m], λ współcynnik prewodenia cieplnego materiału pregrody [W m - K - ]. Całkowity opór cieplny pregrody oblicono jako sumę oporów prejmowania ciepła wnętra bioreaktora do pregrody i pregrody do otocenia ora sumowanego oporu cieplnego warstw materiałów których budowana jest pregroda. Opór cieplny kilku warstw materiałów prylegających do siebie jest sumą oporów poscególnych warstw. R p R R R () i R i opór prejmowania ciepła na powierchni wewnętrnej bioreaktora [m K W - ], R opór warstw materiału ściany bioreaktora [m K W - ], R e opór prejmowania ciepła na powierchni ewnętrnej bioreaktora [m K W - ]. e d R () d d 8

7 Metodyka określania strat... d grubość warstwy wewnętrnej [m] o współcynniku prewodenia ciepła λ [W m - K - ], d grubość warstwy iolacji [m] o współcynniku prewodenia ciepła λ [W m - K - ], d grubość warstwy ewnętrnej [m] o współcynniku prewodenia ciepła λ [W m - K - ]. Ze wględu na kierunki prepływu ciepła, konstrukcję bioreaktora i położenie łoża kompostu, ciepło prekaywane pre obudowę bioreaktora do otocenia podielono na pięć strumieni (rys. ). Strumień prekaywany pre pokrywę górną onacono jako Q. Rys.. Fig.. Onacenie strumieni ciepła, temperatur ora charakterystycnych wielkości niebędnych pry wynacaniu strat energii Symbols of the heat streams, temperatures and characteristic sies indispensable at determining energy looses Biorąc pod uwagę różnice w oporach prejmowania ciepła wewnątr bioreaktora dla nanej długości boku (L), określono wysokości determinujące powierchnię prepływu poscególnych strumieni pre ściany bocne. Strumieniowi Q opowiada wysokość h, strumieniowi Q wysokość h i wysokość h strumieniowi Q 4. Straty pre dno określono jako Q 5. Strumień ciepła prekaywany pre pokrywę górną (w casie t) jest sumą strat ciepła pre powierchnię płaską (Q ) i mostek cieplny na styku pokrywy górnej i ściany bocnej obudowy. 8

8 Piotr Sołowiej Q H ( A U T (T T l ) (T T (4) Q ciepło strat pre pokrywę górną [J], H T współcynnik strat ciepła pokrywy górnej [W K - ], T temperatura pod pokrywą górną [K], A powierchnia pokrywy górnej równa L [m ], U współcynnik prenikania ciepła pregrody [W m - K - ], ψ liniowy współcynnik prenikania ciepła liniowego mostka powstałego na styku pokrywy e ścianą bocną. Klasa tego mostka wg PN-EN ISO 468:008 to R9, a wartość współcynnika dla wymiarów ewnętrnych (w tym prypadku dla długości boku bioreaktora L) wynosi 0,05 [W m - K - ], długość mostka cieplnego w tym prypadku równa 4L [m]. l Opór cieplny pokrywy: R Ri R Re (5) 04, R R całkowity opór cieplny pokrywy bioreaktora [m K W - ], R i opór prejmowania ciepła powierchni wewnętrnej pokrywy bioreaktora, wg PN-EN ISO 6946:008 dla strumienia ciepła skierowanego w górę wynosi 0,0 [m K W - ], R e opór prejmowania ciepła powierchni ewnętrnej pokrywy bioreaktora, wg PN-EN ISO 6946:008 dla strumienia ciepła skierowanego w górę wynosi 0,04 [m K W - ]. Podstawiając oblicony opór cieplny (5) ora wartości określające mostek cieplny do równania 4 pryjmie ono postać: L Q, L 0 05 T T R, 04 Strumień ciepła prekaywany pre ściany bioreaktora: Q H ( A U T (T T l ) (T T t (6) (7) H T współcynnik strat ciepła pre powierchnię A [W K - ], A powierchnia ścian bocnych dla strat ciepła Q równa 4 h L [m ], U współcynnik prenikania ciepła pregrody A [W m - K - ], ψ liniowy współcynnik prenikania ciepła liniowego mostka powstałego na styku pokrywy e ścianą bocną. Klasa tego mostka wg PN-EN ISO 84

9 Metodyka określania strat... l 468:008 to C, a wartość współcynnika dla wymiarów ewnętrnych (w tym prypadku dla długości boku bioreaktora L) wynosi 0,0 [W m - K - ], długość mostka cieplnego w tym prypadku równa 4 h [m]. R i Współcynnik prenikania pregrody dla Q : R e U (8) R R R R 0, R 0, 04 R 07, i e opór prejmowania ciepła powierchni wewnętrnej pokrywy bioreaktora, wg PN-EN ISO 6946:008 dla poiomego strumienia ciepła wynosi 0, [m K W - ], opór prejmowania ciepła powierchni ewnętrnej pokrywy bioreaktora, wg PN-EN ISO 6946:008 dla poiomego strumienia ciepła wynosi 0,04 [m K W - ], Po odstawieniu odpowiednich wielkości do równania 7 i pomnożeniu stałych otrymujemy: Q 4 h L 0, h T T R 07, 4 Straty Q oblicamy uwględniając taki sam mostek cieplny, lec pomijamy opór prejmowania ciepła powierchni wewnętrnej e wględu na styk materiału kompostowanego e ścianą wewnętrną (w ałożeniu achodi tu jawisko prewodenia), natomiast opór prejmowania ciepła powierchni ewnętrnej jest ten sam: Q H T ( A U (T T l ) (T T H T współcynnik strat ciepła pre powierchnię A [W K - ], A powierchnia ścian bocnych dla strat ciepła Q równa 4 h L [m ], U współcynnik prenikania ciepła pregrody A [W m - K - ], l długość mostka cieplnego w tym prypadku równa 4 h [m], T temperatura kompostu [ºC]. Współcynnik prenikania pregrody dla Q : U t (9) (0) () R R R R 0, 04 e Po podstawieniu odpowiednich wielkości do równania 0 otrymujemy: 85

10 Piotr Sołowiej Q 4 h L 0, h T T t R 0, 04 4 Ponieważ temperatura nad dnem bioreaktora T T e wględu na wtłacane powietre, strumienie Q 4 i Q 5 można pominąć. Wobec powyżsego całkowite ciepło tracone pre obudowę bioreaktora Q s : Podsumowanie Q s Q Q () Q () Metodyka ostała opracowana w celu możliwości osacowania ilości ciepła jaką można odebrać w procesie kompostowania odpadów biologicnych. Głównym jej celem jest dostarcenie informacji niebędnych do projektowania urądeń umożliwiających odprowadenie nadmiaru ciepła be skodliwego wpływu na prebieg procesu kompostowania i araem na jakość produktu wyjściowego jakim jest humus. Ponadto o jej uniwersalności świadcy możliwość astosowania arówno do bioreaktorów laboratoryjnych jak i kontenerowych systemów kompostowania. Bibliografia Dach J., Jędruś A., Kin K., Zbytek Z. (004): Wpływ intensywności napowietrania na prebieg procesu kompostowania obornika w bioreaktore. Journal of Research and Applications in Agricultural Eng., 49 (), Dach J., Niżewski P., Jędruś A., Boniecki P. (007): Badania wpływu aeracji na dynamikę procesu kompostowania osadów ściekowych w bioreaktore. Journal of Research and Applications in Agricultural Engineering, 5(), Dach J., Sęk T. (996): Perspektywy i możliwości wdrożenia w gospodarstwach Technologii produkcji kompostu obornika. Postępy Nauk Rolnicych, 5, 9-0. Ekinci, K., Keener, H.M., Akbolat, D. (006): Effects of feedstock, airflow rate, and recirculation ratio on performance of composting systems with air recirculation. Bioresource Technology, 97(7), 9-9. Fernánde, F.J., Sánche-Arias, V., Rodrígue, L., Villaseñor, J. (00): Feasibility of composting combinations of sewage sludge, olive mill waste and winery waste in a rotary drum reactor. Waste Management, 0, Finstein M.S., Morris M.L. (975): Microbiology of municipal solid waste composting. Advan. Appl. Microbiol., 9, -5. Kaiser, J. (996): Modelling composting as a microbial ecosystem: a simulation approach. Ecological Modelling, 9(-), 5-7. Lu, Y., Wu, X., Guo, J. (009): Characteristics of municipal solid waste and sewage sludge cocomposting. Waste Management, 9, Macgregor S.T., Miller F.C., Psarianos K.M., Finstein M.S. (98): Composting process control based on interaction between microbial heat output and temperature. Appl. Environ. Microbiol., 4, -0. Miyatake, F., Iwabuchi, K. (006): Effect of compost temperature on oxygen uptake rate, specific growth rate and enymatic activity of microorganism in dairy cattle manure. Bioresource Technology, 97,

11 Metodyka określania strat... Mudhoo, A., Mohee, R. (006): Sensitivity analysis and parameter optimiation of a heat loss model for a composting system. Journal of Environmental Informatics, 8(), Mudhoo, A., Mohee, R. (008): Modeling heat loss during self-heating composting based on combined fluid film theory and boundary layer concepts. Journal of Environmental informatics, (), Nakayama, A., Nakasaki, K., Kuwahara, F., Sano, Y. (007). A lumped parameter heat transfer analysis for composting processes with aeration. Journal of Heat Transfer-Transactions of the Asme, 9(7), Petric, I., Selimbasic, V Development and validation of mathematical model for aerobic composting process. Chemical Engineering Journal, 9(), Rothbaum H.P. (96): Heat output of thermophiles occurring on wool. J. Bacteriology, 8, Sołowiej P. (007): Prykład wykorystania prymy kompostu jako niskotemperaturowego źródła ciepła. Inżynieria Rolnica, 8(96), Strom P.F. (978): The thermophilic bacterial populations of refuse composting as affected by temperature Ph.D. Thesis. Rutgers University, New Brunswick, NJ. Wiley J.S. III. (957): Progress report of high rate composting studies. Proc. Ind. Waste Conf.,, Praca naukowa finansowana e środków na naukę w latach jako projekt badawcy N N

12 Piotr Sołowiej METHODOLOGY OF DETERMINATION OF LOSSES AND THE AMOUNT OF THE PRODUCED HEAT IN THE PROCESS OF BIOLOGICAL WASTE COMPOST- ING Abstract. Composting is a biological process in which in the thermophilic phase considerable amounts of heat are released. Methodology of calculating the amount of heat produced in the process of biological waste composting in isolated, aerated bioreactors was presented in the paper. Special consideration was placed on the method of calculation of heat losses through a bioreactor casing. The methodology was developed based on popular dependencies and the Polish norms. Moreover, the concept of excess heat recovery from composting waste was presented. The main purpose of the developed methodology is supply of information indispensable for designing devices which make heat removal from the composted heap possible without harmful impact on the course of the process and the quality of the final product that is humus. Properly selected method of heat receipt from the compost heap may be a factor which maintains the bed temperature at the optimal level and may contribute to lengthening the thermophilic phase and the same to shorten the time of the process. Key words: composting, waste treatment, heat recovery, Adres do korespondencji: Piotr Sołowiej; pit@uwm.edu.pl Katedra Elektrotechniki Energetyki Elektroniki i Automatyki Uniwersytet Warmińsko-Maurski w Olstynie ul. Ocapowskiego Olstyn 88