Bogna Burzała Centralne Laboratorium ENERGOPOMIAR Sp. z o.o. Kierunek Wod-Kan 3/2014 ODPADOWY DUET

Transkrypt

1 Bogna Burzała Centralne Laboratorium ENERGOPOMIAR Sp. z o.o. Kierunek Wod-Kan 3/2014 ODPADOWY DUET 1. Wprowadzenie Według prognoz Krajowego Planu Gospodarki Odpadami 2014 (KPGO 2014) ilość wytwarzanych komunalnych osadów ściekowych wzrośnie w 2022 roku do 746 tys. Mg przeliczonych na suchą masę i w stosunku do 2012 roku będzie większa o ponad 200 tys. [1, 3]. Z tego względu w KPGO 2014 zostały przedstawione cele oraz kierunki, w których powinna podążać gospodarka odpadami, tak aby przestrzegać zasady zrównoważonego rozwoju zgodnej z hierarchią postępowania z odpadami (rys. 1). W obecnie istniejącym systemie gospodarka komunalnymi osadami ściekowymi skierowana jest na ich termiczne przekształcanie w spalarniach lub współspalarniach odpadów, poddanie odzyskowi w kompostowniach, biogazowniach lub wykorzystanie bezpośrednio na powierzchni ziemi do ulepszenia gleby, po ich uprzednim ustabilizowaniu. Obecnie nadal jedną z najczęściej stosowanych metod utylizacji odpadów jest składowanie, które w hierarchii postępowania z odpadami znajduje się na ostatnim miejscu i od 2016 roku będzie zakazane dla odpadów o cieple spalania powyżej 6 MJ/kg suchej masy [4]. Rys. 1. Hierarchia postępowania z odpadami

2 Z tego względu w KPGO 2014 oraz Planie Gospodarki Odpadami dla miasta Żory jednym z podstawowych celów w gospodarce komunalnymi osadami ściekowymi jest zwiększenie ilości osadów przekształcanych metodami termicznymi oraz wzrost masy komunalnych osadów ściekowych przekształcanych termicznie w cementowniach, kotłach energetycznych oraz spalarniach komunalnych osadów ściekowych [1, 2]. W perspektywie do 2022 roku ilość utylizowanych tą metodą osadów ściekowych ma przekroczyć 30%. Już teraz ta metoda ma coraz większe znaczenie w 2000 roku wynosiła tylko 1%, by wzrosnąć do poziomu 11% w 2012 roku [5]. Projektem przyczyniającym się od zwiększania udziału przekształcanych termicznie osadów ściekowych jest powstająca instalacja współspalania w Żorach. Projekt ten jest realizowany dzięki współpracy pomiędzy miastem Żory, Przedsiębiorstwem Wodociągów i Kanalizacji w Żorach, Polish Wood Cluster oraz Politechniką Śląską. Ma on na celu budowę innowacyjnego systemu termicznej utylizacji osadów. Wykorzystane zostaną tutaj komunalne osady ściekowe powstałe na terenie oczyszczalni ścieków oraz biomasa z pielęgnacji lasów oraz zieleni miejskiej w Żorach. Produkowane ciepło zostanie wykorzystane w instalacji centralnego ogrzewania części Miasta Żory oraz do zabezpieczenia energetycznego procesu fermentacji metanowej osadów pościekowych [6]. 2. Warunki autotermicznego spalania Osady ściekowe, aby mogły zostać poddane przekształceniu termicznemu, muszą spełnić określone warunki. Warunki te mogą opierać się na różnych parametrach, takich jak: zawartość części mineralnych i wilgoci, minimalnej wartości opałowej czy wymaganego prawem poziomu temperatury spalin. Bazując na parametrach fizykochemicznych w spalaniu autotermicznym paliwo powinno mieć zawartość wilgoci poniżej 50%, zawartość części palnych powyżej 25%, popiołu poniżej 60%, natomiast minimalna wartość opałowa powinna być powyżej 6 MJ/kg [7]. Jednak aby osiągnąć temperaturę spalin na poziomie 850 C, wartość opałowa powinna być większa od 7 MJ/kg [8]. Temperatura ta została ustalona w Rozporządzeniu Ministra Środowiska z dnia 22 kwietnia 2011 roku, ponieważ zawartość chloru całkowitego w osadach ściekowych jest poniżej 1% [9]. Osady ściekowe ze względu na wysoką zawartość wilgoci na poziomie 80%, nie spełniają warunków autotermicznego spalania. Z tego względu należy je wysuszyć do odpowiedniego poziomu wilgoci lub spalać z dodatkowym paliwem. W powstającej instalacji w Żorach postanowiono współspalać mokre osady ściekowe z wysuszoną biomasą. Autorzy pracy [6] obliczyli, że aby zutylizować 4000 Mg (roczna produkcja) osadów ściekowych o wilgotności 79,1% i wartości opałowej 1,4 MJ/kg potrzebne jest Mg biomasy o wartości opałowej 7 MJ/kg i wilgotności 50% wysuszonej do poziomu wilgotności 20%. Zgodnie z tymi obliczeniami w mieszaninie paliwa udział procentowy mokrego osadu ściekowego jest na poziomie 40% i jest to maksymalny udział, jaki można stosować, aby spełnić powyższe warunki autotermicznej utylizacji. Zależność parametrów fizykochemicznych, od których uzależnione jest autotermiczne spalenie, przedstawiono na rysunku 2. W celu poznania zmian parametrów fizykochemicznych paliwa sporządzono dwie mieszaniny mokrego osadu ściekowego z zrębami drzewnymi. Udział procentowy mokrego osadu ściekowego wynosi 20 i 40%.

3 Rys. 2. Zależność zawartości wilgoci całkowitej, części palnych, wartości opałowej w mieszaninie osadu ściekowego o zawartości wilgoci 80% i biomasy o zawartości wilgoci 20% 3. Parametry paliwowe Paliwo, aby mogło być w pełni wykorzystane w procesie termicznego przekształcania, powinno być poddane analizie technicznej w celu poznania składu fizykochemicznego. Analiza została wykonana zgodnie z obowiązującymi normami dla biopaliw (zrębki drzewne) oraz z normami dotyczącymi paliw z odpadów (osad ściekowy oraz mieszanin). Oznaczenie głównych składników organicznych, czyli zawartości węgla, wodoru i azotu, wykonano zgodnie z normą PN-EN 15407:2011 [10] i PN-EN 15104:2006 [11], natomiast siarkę oznaczono zgodnie z PN-G-04584:2001 [12]. Zastosowano tu metodę wysokotemperaturowego spalania z detekcją IR, a dla azotu metodę katarometryczną. Części lotne oznaczono zgodnie z PN-EN 15148:2010 [13] i PN-EN 15402:2011 [14]. Parametr określający kaloryczność paliwa (ciepło spalania) oznaczono zgodnie z PN-EN 14918:2010 [15] i PN-EN 15400:2011 [16], natomiast wartość opałowa została obliczona. Popiół stanowiący balast paliwa (cześć mineralną) oznaczono w temperaturze 550 C, zgodnie z PN- EN 14775:2010 [17] i PN-EN 15403:2011 [18]. Wilgoć całkowita jako niekorzystny parametr powodujący obniżenie wartości kalorycznej paliwa został założony dla biomasy i osadu ściekowego oraz obliczony dla otrzymanych mieszanin. Kolejnymi wyznaczonymi parametrami są chlor i fluor. Pierwiastki te mogą powodować korozję instalacji poprzez tworzenie kwaśnych związków. Oznaczenie ich wykonano zgodnie z normami PN-EN 15289:2011 [19] i PN-EN 15408:2011 [20] metodą chromatografii jonowej. Dodatkowo chlor stanowi parametr, który wyznacza temperaturę, w jakiej należy prowadzić proces termiczny [9]. Powyższe parametry zostały zebrane w tabeli 1 oraz dla stanu roboczego zostały przedstawione w formie graficznej na rysunku 3.

4 Tabela 1. Parametry paliwowe osadu ściekowego, biomasy oraz ich mieszanin Parametr Jednostk a Osad ściekowy Zrębki drzewne 60% zrębki drzewne 40% osad ściekowy 80% zrębki drzewne 20% osad ściekowy stan paliwa w s.m. roboczy w s.m. roboczy w s.m. roboczy w s.m. roboczy Wilgoć całkowita [%] Ciepło spalania kj/kg Wartość opałowa kj/kg Części lotne [%] 56,44 11,29 81,58 65,27 78,20 43,79 81,06 55,12 Popiół 550 C [%] 36,24 7,25 1,40 1,12 5,86 3,28 3,11 2,11 Węgiel [%] 34,13 6,83 51,04 40,83 48,48 27,15 48,18 32,76 Wodór [%] 4,91 0,98 6,06 4,84 6,01 3,37 6,12 4,16 Siarka [%] 1,23 0,25 0,03 0,02 0,16 0,09 0,08 0,05 Azot [%] 5,34 1,07 0,15 0,12 0,65 0,36 0,40 0,27 Chlorki [%] 0,101 0,020 0,010 0,008 0,026 0,015 0,012 0,008 Fluorki [%] 0,009 0,002 0,000 0,000 0,002 0,001 0,000 0,000 Analizując dane z wykresu można zauważyć, że nie ma zasadniczej różnicy pomiędzy parametrami, takimi jak chlor, fluor, siarka, które są parametrami potencjalnie korozyjnymi czy emisyjnymi. W mieszaninach nastąpił wzrost parametrów określających właściwości kaloryczne paliwa, co było oczekiwanym rezultatem. Części lotne są produktem rozkładu paliwa podczas ogrzewania bez dostępu tlenu. Na wykresie można zauważyć ich wzrost w stosunku do mokrego osadu ściekowego. Można to uznać za pozytywną cechę, ponieważ większa ich zawartość wpływa korzystnie na parametry zapłonu (temperaturę, czas zwłoki zapłonu), jednak wysoka ich zawartość powoduje obniżenie wartości opałowej [21]. Kolejną pozytywną cechą zmieszania osadu ściekowego z biomasą jest obniżenie zawartości popiołu. Stanowi on balast w paliwie i może przyczynić się do korozji instalacji, dlatego należy poddać go analizie fizykochemicznej.

5 Rys. 3. Parametry paliwowe osadu ściekowego, biomasy oraz ich mieszanin w stanie roboczym 4. Analiza popiołu Analizę chemiczną popiołu wykonano metodą ICP-OES, po stopieniu z odpowiednim topnikiem, opartą na własnej instrukcji badawczej. Metoda ta została akredytowana w laboratorium przez Polskie Centrum Akredytacji. Uzyskane wynik osadu ściekowego, biomasy oraz ich mieszanin zostały przedstawione na wykresie.

6 Rys. 4. Skład chemiczny popiołu Związki alkaliczne (sodu, potasu, wapnia i magnezu) zawarte w popiele mogą powodować przyrastanie osadów, sklejanie się żużla, powodując korozję instalacji grzewczych kotła. Niektóre z nich mogą powodować obniżenie temperatury topnienia popiołu i jego lepkości, co jest niekorzystnym zjawiskiem występującym w procesach spalania. Z tego względu wyznaczono charakterystyczne temperatury topliwości popiołu w dwóch atmosferach, zgodnie z normą CEN/TS 15404:2006 [22]. Uzyskane wyniki przedstawiono w tabeli 2. Tabela 2. Charakterystyczne temperatury topliwości popiołu osad ściekowy zrębki drzewne 40% osadu ściekowego 20% osadu ściekowego redukująca utleniająca redukująca utleniająca redukująca utleniająca redukująca utleniająca Temperatura skurczu, ST o C Temperatura deformacji, DT o C Temperatura półkuli, HT o C Temperatura płynięcia, FT o C

7 Analizując otrzymane wyniki charakterystycznych temperatur topliwość można zauważyć, że temperatury nieznacznie podwyższyły się w mieszaninach w stosunku do samego osadu ściekowego, co można uznać za pozytywną cechę mieszanek. 5. Podsumowanie Projekt powstający w Żorach jest w dużym stopniu innowacyjny i z tego względu będzie wymagał wielu prac badawczo-rozwojowych. Jednym z nich będzie proces mieszania osadu z biomasą. Czy wysuszona biomasa pochłonie część wilgoci z osadu ściekowego, czy w rezultacie spowoduje łatwiejszy transport osadu do paleniska? Czy mieszanina będzie jednorodna? Jaki wpływ na mieszaninę będzie miało rozdrobnienie biomasy oraz stopień jej wysuszenia [6]? Odpowiedzi na te pytania uzyskamy w trakcie realizacji projektu. Instalacja jest odpowiedzią na cele zawarte w KPGO 2014 i przyczyni się do zwiększenia ilości przekształcanych metodą termiczną osadów ścieków. Rozwiąże jeden ze zidentyfikowanych problemów, jakim jest brak tego typu instalacji. Dzięki wykorzystaniu biomasy jako paliwa pomocniczego zwiększy ilości wytwarzanej energii z odnawialnych źródeł energii. Mimo że osady ściekowe są traktowane jako odpady, to dzięki zawartej w nich biomasie są materiałem zeroemisyjny, dzięki czemu instalacja przyczyni się do zmniejszenia emisji CO 2. Bibliografia: [1] Uchwała Nr 217 Rady Ministrów z dnia 24 grudnia 2010 r. w sprawie Krajowego planu gospodarki odpadami 2014, Monitor Polski Nr 101, poz [2] Aktualizacja planu gospodarki odpadami dla miasta Żory na lata z perspektywą na lata , Żory 2011 r. [3] Ochrona Środowiska 2013, Główny Urząd Statystyczny, Warszawa październik 2013, _ochrona_srodowiska_2013.pdf [dostęp: ]. [4] Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 8 stycznia 2013 r. w sprawie kryteriów oraz procedur dopuszczania odpadów do składowania na składowisku odpadów danego typu, Dz.U. Nr 0, poz. 38. [5] Burzała B.: Termiczne przekształcanie osadów ściekowych jako jedna z metod ich utylizacji, Nowa Energia 2014, nr 1. [6] Gaweł I., Kubicka S., Szlęk A.: Modelowe rozwiązanie spalania osadów ściekowych, Piece Przemysłowe & Kotły 2013, nr 3-4, s [7] Nadziakiewicz J., Wacławiak K., Stelmach S.: Procesy termiczne utylizacji odpadów, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice [8] Wandrasz J. W., Wandrasz A. J.: Paliwa formowane: biopaliwa i paliwa z odpadów w procesach termicznych, Wydawnictwo Seidel-Przywecki, Warszawa [9] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 22 kwietnia 2011 r. w sprawie standardów emisyjnych z instalacji, Dz.U. Nr 95, poz. 558.

8 [10] PN-EN 15407:2011: Stałe paliwa wtórne. Metody oznaczania zawartości węgla (C), wodoru (H) i azotu (N). [11] PN-EN 15104:2011: Biopaliwa stałe. Oznaczanie zawartości węgla całkowitego, wodoru i azotu. Metody instrumentalne. [12] PN-G-04584:2001: Paliwa stałe. Oznaczanie zawartości siarki całkowitej i popiołowej automatycznymi analizatorami. [13] PN-EN 15148:2010: Biopaliwa stałe. Oznaczanie zawartości części lotnych. [14] PN-EN 15402:2011: Stałe paliwa wtórne. Oznaczanie zawartości części lotnych. [15] PN-EN 14918:2010: Biopaliwa stałe. Oznaczanie wartości opałowej. [16] PN-EN 15400:2011: Stałe paliwa wtórne. Oznaczanie wartości opałowej. [17] PN-EN 14775:2010: Biopaliwa stałe. Oznaczanie zawartości popiołu. [18] PN-EN 15403:2011: Stałe paliwa wtórne. Oznaczanie zawartości popiołu. [19] PN-EN 15289:2011: Biopaliwa stałe. Oznaczanie zawartości siarki całkowitej i chloru. [20] PN-EN 15408:2011: Stałe paliwa wtórne. Metody oznaczania zawartości siarki (S), chloru (Cl), fluoru (F) i bromu (Br). [21] Werle S.: Energia z osadu, Ochrona Środowiska 2012, nr 5. [22] CEN/TS 15404:2006: Solid recovered fuels. Method for the determination of ash melting behaviour busingcharacteristic temperatures.