GOSPODARKA OSADAMI Zajęcia VII usuwanie wody z osadów (spalanie) automatyka w gospodarce osadowej

Transkrypt

1 GOSPODARKA OSADAMI Zajęcia VII usuwanie wody z osadów (spalanie) automatyka w gospodarce osadowej dr inż. Stanisław Miodoński

2 Termiczne przekształcanie osadów ściekowych Właściwości energetyczne osadów ściekowych Procesy przekształcania osadów ściekowych Emisja zanieczyszczeń

3 Właściwości energetyczne osadów Do właściwości paliwowych osadów zalicza się: wilgotność zawartość części palnych (C, H, N, S, Cl, F), w tym udział części lotnych zawartość części niepalnych ciepło spalania wartość opałowa Spalanie osadów bez paliwa wspomagającego możliwe jest przy zawartości ok. 60% suchej masy.

4 Możliwości samodzielnego spalania osadów ściekowych

5 Termiczne przekształcanie osadów ściekowych Metody termicznego przekształcania Spalanie Procesy pirolityczne Zgazowywanie Procesy alternatywne Spalanie samodzielne Współspalanie Wytlewanie Piroliza Odgazowywanie Szkliwienie (witryfikacja) Techniki plazmowe Quasi-piroliza Mokre utlenianie

6 Termiczne przekształcanie osadów ściekowych - spalanie Spalanie jest szybkim egzotermicznym utlenianiem związków organicznych zachodzącym przy nadmiarze tlenu w stosunku do zapotrzebowania teoretycznego. W spalaniu osadów ściekowych można wyodrębnić kilka faz: Suszenie C Odgazowanie do temp C Zgazowanie w temp C Całkowite spalanie osadów Dopalanie w temp. ok C

7 Możliwości samodzielnego spalania osadów ściekowych W przypadku samodzielnego spalania osadów ściekowych należy brać pod uwagę następujące czynniki: ponad 50% suchej masy osadu pozostaje w postaci popiołów, które mogą zawierać znaczne ilości metali ciężkich, związki azotu, chloru, siarki, a także dioksyny i furany obecne w osadach ściekowych mogą być uwalniane w różnych formach wraz z gazami spalinowymi do atmosfery - potrzebna wysokiej klasy technologii oczyszczania spalin, przy zawartości wilgoci 70-80% w mechanicznie odwodnionych osadach ściekowych nie jest możliwe autotermiczne spalanie odpadu.

8 Możliwości współspalania osadów ściekowych Możliwe jest wydzielenie trzech różnych konfiguracji współspalania: Współspalanie bezpośrednie. Jak sama nazwa wskazuje. Współspalanie równoległe. Oddzielne uzyskiwanie energii ze źródeł konwencjonalnych i alternatywnych. Współspalanie pośrednie. Niezbędny jest dodatkowy reaktor do zgazowywania paliwa alternatywnego.

9 Współspalanie osadów ściekowych - problemy koncepcja współspalania osadów w blokach energetycznych, oparta na warunku, że masa współspalanych osadów nie przekroczy 1% masy spalanych paliw, obok wymagań emisyjnych i procesowych eksploatator danej elektrowni czy elektrociepłowni, podejmując współspalanie osadów ściekowych, musi się liczyć z wieloma eksploatacyjnymi uwarunkowaniami, np.: szlakowanie powierzchni ogrzewalnych kotła zmiana charakterystyki popiołów, które często stanowią produkt zbywalny.

10 Termiczne przekształcanie osadów ściekowych - piroliza Piroliza jest endotermicznym procesem termicznej transformacji bogatych w węgiel substancji organicznych, który odbywa się w temperaturze C, w środowisku całkowicie pozbawionym tlenu. Warunkiem przebiegu procesu pirolizy odpadów jest podwyższona temp., umożliwiająca wydzielanie części lotnych z substancji stałej oraz brak utleniacza. Mechanizm procesu w fazie gazowej: C m H n -> x CH 4 + y H 2 + z C CH 4 + H 2 O -> CO + 3H 2 w fazie stałej: C + H 2 O -> CO + H 2 C + CO 2 -> 2CO m, n, x, y, z współczynniki rozdziału

11 Termiczne przekształcanie osadów ściekowych - zgazowywanie Zgazowanie jest procesem obejmującym wiele przemian chemicznych i termochemicznych zachodzących pod wpływem podwyższonej temperatury przy niedoborze tlenu pomiędzy substancją organiczną odpadu, a środkami zgazowującymi. Jako czynnik zgazowujący wykorzystane może być powietrze, para wodna, węglowodory oraz dwutlenek węgla. reakcje utleniania (egzotermiczne) Mechanizm procesu C + O 2 -> CO 2 C x H y + (x+0,25y) O 2 -> x CO 2 + 0,5 y H 2 O reakcje endotermiczne (reakcja Boudourda) reakcje gazu wodnego C + CO 2 -> 2CO C + H 2 O -> CO + H 2 C x H y + x H 2 O -> x CO + (x+0,5y) H 2

12 Termiczne przekształcanie osadów ściekowych - zgazowywanie Rozwiązania konstrukcyjne reaktorów do zgazowania biomasy (w tym osadów): Reaktory ze złożem stałym - przeciwprądowe - współprądowe - krzyżowo-prądowe Reaktory ze złożem fluidalnym Reaktory strumieniowe

13 Termiczne przekształcanie osadów ściekowych - szkliwienie Proces SZKLIWIENIA może przebiegać w atmosferze powietrza, przy pomocy powietrza wzbogaconego w tlen lub przy pomocy paliwa wspomagającego (węgiel lub ropa). Szkliwienie osadów ściekowych jest technologią, w wyniku której z frakcji mineralnej powstaje szkło budowlane, a nie popiół. Uzyskiwany produkt szkliwienia w postaci szkła budowlanego może być wykorzystywany do różnych celów, w tym między in. do produkcji mieszaniny asfaltowej. Szkło budowlane nadaje mieszaninie asfaltowej większą wytrzymałość niż tradycyjny piasek i nie wymaga żadnej obróbki, w przeciwieństwie do piasku, który poddaje się płukaniu i przesiewaniu.

14 Termiczne przekształcanie osadów ściekowych szkliwienie

15 Termiczne przekształcanie osadów ściekowych mokre utlenianie Alternatywną metodą termiczną jest metoda utylizacji osadów ściekowych oparta na mokrym utlenianiu. Utlenianie zachodzi w środowisku wodnym w zakresie temperatur C, przy wysokim ciśnieniu 1 22 MPa i pod działaniem czystego lub atmosferycznego tlenu. Wysokie ciśnienie procesu zapobiega wrzeniu wody w zakresie temperatur. Technologia ta umożliwia przekształcenie substancji organicznej osadów ściekowych poprzez jej degradację, hydrolizę, a wreszcie oksydację do CO 2, wody oraz azotu. Proces można przeprowadzać w różnych warunkach: podkrytycznych, tzn. poniżej temperatury 374 C i ciśnieniu około 10 MPa. nadkrytycznych, w temperaturze ponad 374 C i ciśnieniu przekraczającym 21,8 MPa.

16 Podstawy prawne Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Gospodarki z dnia 21 marca 2002 r. w sprawie wymagań dot. prowadzenia procesu termicznego przekształcania odpadów proces termiczny powinien być tak prowadzony, by temperatura gazów powstających w wyniku spalania w najbardziej niekorzystnych warunkach utrzymywana była przez co najmniej 2 sekundy na poziomie nie niższym niż: C dla odpadów zawierających > 1% związków chlorowcoorganicznych przeliczonych na chlor C dla odpadów zawierających do 1% w/w związków

17 Zanieczyszczenia ze spalania osadów ściekowych Potencjalne zanieczyszczenia to: uwolnienie metali ciężkich składowanie pozostałości stałych (popioły) emisja dioksyn i furanów, NO x, N 2 O, SO 2, C x H y

18 Popioły z procesów spalania osadów ściekowych Wysoki udział popiołu w osadzie ściekowym może prowadzić do bardzo wysokich stężeń popiołu w spalinach. Spaliny opuszczające komorę spalania w zależności od technologii spalania, konstrukcji paleniska oraz zawartości popiołu w osadzie mogą zawierać aż do mg/m 3 popiołu lotnego. Dotyczy to w szczególności palenisk z warstwą fluidalną, gdzie niemal cały popiół zawarty w paliwie zabierany jest przez spaliny. W przypadku pieców półkowych i pieców obrotowych zawartość popiołu lotnego w spalinach wynosi odpowiednio 20% i 10% w stosunku do oczekiwanego stężenia w spalinach z paleniska fluidalnego.

19 Metale ciężkie Większość metali ciężkich w wysokiej temperaturze ulega odparowaniu, lecz potem ulegają kondensacji i w konsekwencji wchodzą w skład popiołów. Metale ciężkie (Pb, Cd, Cr, Cu, Ni) głównie ulokowane są w strefie bliskiej jądra cząsteczki, gdy tymczasem metale lżejsze (Si, Al, Ca, Na, K) występują w całym przekroju cząstek, z największą koncentracją na powierzchni cząstki. Metale ciężkie nie są problemem w produkcji cegły czy w trakcie współspalania w piecach cementowych, gdyż są związane w strukturze bądź zatrzymywane w elektrofiltrze

20 Urządzenia do spalania osadów ściekowych Piec rusztowy Piec fluidalny Piec półkowy

21 Piece rusztowe

22 Piece rusztowe Nazwa Wady Zalety Piece rusztowe trudności w użytkowaniu paliw o dużej zawartości popiołu, możliwość spalania paliw o określonym rozdrobnieniu, redukcja NOx wymaga zastosowania dodatkowych technologii, wysoki nadmiar powietrza obniża sprawność procesu, spalanie zachodzi w niejednorodnej warstwie, problem z utrzymaniem niskich emisji w przypadku częściowego obciążenia paleniska. niskie koszty inwestycyjne (w przypadku osadów ściekowych wymagana mokra lub półsucha instalacja oczyszczania spalin), łatwa kontrola strumienia podawanego paliwa, niskie koszty eksploatacyjne, stosunkowo niskie emisje, niskie zapylenie spalin, zdolność do spalania szerokiej gamy różnych paliw alternatywnych.

23 Piece fluidalne

24 Piece fluidalne Dzięki turbulentnemu wymieszaniu i przy relatywnie niskiej temperaturze następuje całkowite spalanie w nadmiarze powietrza. Czas przebywania osadu jest wystarczająco długi dla efektywnego dopalenia osadu. Strefa dopalania zapewnia kompletną destrukcję materii organicznej. Duży zapas gorącego materiału złoża inertnego działa jak koło zamachowe zapobiegając nagłym zmianom, krótkotrwałe zmiany w składzie osadu czy zawartości wody są stabilizowane dużym rezerwuarem ciepła. Istnieje bardzo mały zapas paliwa lub węgla w złożu, który pozwala uruchomić lub zakończyć proces w ciągu paru minut, kiedy urządzenie jest blisko temperatury pracy. Ta charakterystyczna cecha i niska szybkość wychładzania złoża (5 0 C/h) pozwala nieregularnie eksploatować urządzenie.

25 Piece półkowe

26 Piece półkowe Nazwa Wady Zalety Piece półkowe Koszty związane z częstą potrzebą dodawania dodatkowego paliwa, nieduża wydajność i awaryjność, słabe mieszanie materiału, krótki czas przebywania spalin w strefie spalania, wysoki nadmiar powietrza potrzebny do spalania, długa i energochłonna procedura uruchamiania, skomplikowane sterowanie strefami temperatur w piecu. Dobre wykorzystanie energii wewnętrznej, możliwość termicznej utylizacji osadów o bardzo dużej zawartości wilgoci.

27 Piec obrotowy

28 Piec obrotowy Nazwa Wady Zalety Piec obrotowy Wrażliwość części ruchomych na zmianę obciążenia cieplnego. Niekorzystny bilans energetyczny, oprócz znacznych strat na skutek promieniowania występują straty ciepła ze spalinami. Stosowanie dużych ilości drogiej wymurówki żarowytrzymałej. Wysoka temp. spalania (>1450 0C) Czas przebywania gazów w piecu jest znacznie dłuższy niż w przypadku konwencjonalnych spalarni (4-10 s). Spalanie prowadzone jest w środowisku silnie alkalicznym, dzięki czemu kwaśne składniki spalin ulegają wiązaniu chemicznemu. Duża bezwładność cieplna procesu. Spaleniu mogą być poddawane zarówno odpady stałe, jak i ciekłe.

29 Automatyka w gospodarce osadowej Pompownie Zbiorniki Urządzenia mechaniczne Proces stabilizacji

30 STAB Pompownie osad wstępny osad nadmierny ZG ZM Pompownia osadu zmieszanego ZN OM Wywóz osadu

31 Pompownia osadu wstępnego Pompownia osadu wstępnego (opcjonalnie) Niezbędny pomiar przepływu osadu wstępnego Pomiar warstwy osadu w osadniku wstępnym Dodatkowo poziom wypełnienia w komorze czerpalnej pompowni Algorytm odbioru osadu Algorytm czasowy Pomiar warstwy osadu w osadniku Pomiar wypełnienia w komorze czerpalnej pompowni Przepływomierz zliczający przepływ

32 Pompownia osadu wstępnego zagęszczonego Zwykle wykorzystywane pompy ślimakowe lub wyporowe (pompy tłokowe) Obiekt opcjonalny Bezpiecznik termiczny Blokada uruchomienia na zamkniętych zasuwach Pomiar przepływu osadu zagęszczonego??

33 Pompownia osadu wstępnego zagęszczonego Pompa wyporowa Pompa śrubowa

34 Pompownia osadu recyrkulowanego i nadmiernego Pompownia osadu nadmiernego Obiekt łączący część ściekową oraz osadową Zwykle do odbioru osadu wykorzystywane pompy wirowe Pomiar przepływu na rurociągu osadu nadmiernego Pomiar przepływu na rurociągu osadu recyrkulowanego Algorytm odbioru osadu Proporcjonalnie do przepływu Utrzymywanie stałej warstwy osadu w osadniku wtórnym

35 Pompownia osadu nadmiernego na zagęszczacz grawitacyjny Pompownia osadu nadmiernego na zagęszczacz Obiekt realizowany w pomieszczeniu zagęszczacza mechanicznego Pomiar przepływu osadu nadmiernego? Algorytm odbioru osadu Nastawy pracy w zależności od pracy zagęszczacza

36 Pompownia osadu surowego zagęszczonego (do WKF) Pompownia osadu surowego Obiekt obligatoryjny W zależności od uwodnienia osadu wykorzystywane pompy wirowe lub tłokowe Pomiar przepływu osadu na WKF pomiar obligatoryjny Algorytm pracy Autonomiczny zestaw pomp zasilających dla każdej z komór fermentacyjnych Jeden zestaw pomp dla wszystkich komór fermentacyjnych. Sterowanie ilością osadu do poszczególnych komór odbywa się poprzez algorytm czasowego otwarcia zasuw do kolejnych komór UWAGA przy przejściu z zasilania jednej komory do drugiej konieczny postój pompy zasilającej

37 Pompownia osadu przefermentowanego (nadawa na prasę) Pompownia osadu przefermentowanego Zwykle wykorzystywane pompy tłokowe ślimakowe lub wyporowe Obiekt realizowany w pomieszczeniu prasy odwadniającej Pomiar przepływu osadu przefermentowanego Algorytm pracy Nastawy pracy w zależności od pracy prasy

38 STAB Zbiorniki osad wstępny osad nadmierny ZG ZM Zbiornik osadu zmieszanego ZN OM Wywóz osadu

39 Zbiorniki Zagęszczacz grawitacyjny / nadawy Pomiar biomasy Pomiar poziomu?? Pomiar temperatury (zbiornik nadawy) Pomiar ph (zagęszczacz grawitacyjny) Zbiornik osadu nadmiernego / surowego zagęszczonego Wykorzystywane do krótkiego magazynowania osadu Zwykle zbiorniki czerpalne pomp Najczęściej stosuje się jedynie pomiar wypełnienia Mieszadło śmigłowe uruchamiane włącznikiem czasowym

40 STAB Urządzenia mechaniczne osad wstępny osad nadmierny ZG ZM ZN OM Wywóz osadu

41 Zagęszczacz mechaniczny Układy automatyki zagęszczacza mechanicznego: Regulacja prędkości przesuwu taśmy Regulacja prędkości mieszadła flokulatora Czujnik biegu taśmy Pomiar poziomu w leju zsypowym

42 Styczniki poziomu osadu w leju Lej zsypowy osadu zagęszczonego Pompa osadu nadmiernego zagęszczonego

43 Flokulator

44 Prasy odwadniające Układy automatyki Pras odwadniających: Regulacja prędkości przesuwu sekcji zagęszczającej Regulacja prędkości przesuwu taśmy sekcji odwadniającej Regulacja prędkości mieszadła flokulatora Czujnik biegu taśmy Regulacja naciągu taśmy

45

46 Automatyka stacji polielektrolitu Regulacja dawki sypkiego polielektrolitu Poziom w zbiorniku sypkiego polielektrolitu Stężenie roztworu przygotowywanego w stacji Stężenie roztworu roboczego (stacja przepływowa) Poziom w zbiornikach górnym i dolnym (stacja wsadowa) Regulacja ilości wody niezbędnej do przygotowania roztworu roboczego (stacja przepływowa)

47

48

49 STAB Proces stabilizacji osad wstępny osad nadmierny ZG ZM Zbiornik osadu zmieszanego ZN OM Wywóz osadu

50 Zamknięta wydzielona komora fermentacyjna Układy rejestracji wykorzystywane przy obsłudze WKF: Pomiar wypełnienia Pomiar temperatury w dwóch punktach Pomiar ph Pomiar ciśnienia gazu fermentacyjnego Systemy zabezpieczające komorę fermentacyjną: Ciśnieniowy bezpiecznik cieczowy Ciśnieniowy bezpiecznik mechaniczny Kominek wydmuchowy

51 Cyrkulacja grzewcza komory fermentacyjnej Pomiary Pomiar temperatury osadu przed wymiennikami ciepła Pomiar temperatury osadu po każdej sekcji wymienników ciepła Pomiar temperatury osadu na wyjściu z wymienników ciepła Pomiar temperatury wody grzewczej zasilającej Pomiar temperatury wody grzewczej powrotnej Pomiary nastawne Temperatura osadu na wyjściu z wymienników Temperatura wody grzewczej zasilającej Regulacja odbywa się za pomocą automatycznego zaworu trójdrogowego