OTRZYMYWANIE PALIWA GAZOWEGO NA DRODZE ZGAZOWANIA OSADÓW ŚCIEKOWYCH

Transkrypt

1 OTRZYMYWANIE PALIWA GAZOWEGO NA DRODZE ZGAZOWANIA OSADÓW ŚCIEKOWYCH Autorzy: Sebastian Werle, Ryszard K. Wilk ( Rynek Energii nr 4/2012) Słowa kluczowe: zgazowanie, osady ściekowe, reaktor ze złożem stałym, syngaz Streszczenie. Osady ściekowe są przykładem zasobów biomasy, które są wykorzystywane w niedostatecznym stopniu. Proces zgazowania ma spośród termicznych metod utylizacji najwięcej zalet prowadząc między innymi do otrzymania palnego gazu, który może być alternatywą do tradycyjnych paliw gazowych. Mimo to zgazowanie osadów ściekowych (w przeciwieństwie do innych form biomasy stałej jak np. drewno, odpady rolnicze i uprawy energetyczne) jest wciąż procesem niewystarczająco rozpoznanym. W pracy przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych procesu zgazowania osadów ściekowych w reaktorze ze złoże stałym, którym dysponuje Instytut Techniki Cieplnej Politechniki Śląskiej. Określono wpływ rodzaju granulatu osadu ściekowego na skład otrzymanego gazu palnego. 1. WSTĘP Według [6], osady ściekowe należą do grupy nr 19 jako odpady z instalacji i urządzeń służących zagospodarowaniu odpadów, z oczyszczalni ścieków oraz z uzdatniania wody pitnej i wody do celów przemysłowych. Osady ściekowe pochodzące z procesu oczyszczania ścieków są pozostałością po procesie mechanicznym, biologicznym bądź biologicznym zintegrowanym z usuwaniem tzw. biogenów [1]. W 6 Ramowym Programie Unii Europejskiej w priorytecie Środowisko założono 50% redukcję składowanych osadów w stosunku do roku 2000 przed rokiem Tabela 1 przedstawia ilość wytwarzanych komunalnych osadów ściekowych w Polsce w latach [11]. Tabela 1 Ilość produkowanych komunalnych osadów ściekowych w Polsce w latach , tyś ton suchej masy Na podstawie prognoz demograficznych szacuje się, że ilość osadów, która będzie produkowana w Polsce wzrośnie z tysięcy ton suchej masy (w roku 2012) do tysięcy ton suchej masy (w roku 2018). W ciągu ostatnich dwudziestu lat nastąpiła zasadnicza zmiana w sposobie zagospodarowywania osadów ściekowych. Ustawodawstwo europejskie zabrania składowania osadów ściekowych (dziś jest to dominujący sposób zagospodarowywania), które charakteryzują się parametrami podanymi w tabeli 2. W świetle przedstawionych informacji należy stwierdzić, iż istnieje silna potrzeba rozwoju termicznych metod. Zgodnie z założeniami Krajowego Planu Gospodarki Odpadami przyszła struktura wykorzystania osadów będzie się kształtować jak pokazano na rys.1 [7]. Tabela 2 Kryteria dopuszczenia składowania osadów ściekowych na składowisku po r. Parametr Wartość 1 Ogólny węgiel organiczny, % suchej masy 5,0 2 Strata przy prażeniu, % suchej masy 8,0 3 Ciepło spalania, MJ/kg suchej masy 6,0

2 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% metody termiczne rolnicze wykorzystanie Do produkcji kompostut skladowanie % Rys. 1. Przyszła struktura wykorzystania osadów ściekowych wg. [7] Na podstawie analizy danych przedstawionych na rysunku 1, termiczne metody wykorzystania osadów ściekowych będą dominującym sposobem ich wykorzystania. Zgodnie z [12] pod pojęciem termicznego przekształcania odpadów rozumie się: spalanie odpadów przez ich utlenienie oraz inne procesy termicznego przekształcania odpadów, w tym pirolizę, zgazowanie i proces plazmowy, o ile substancje powstające podczas tych procesów są następnie spalane. Generalnie, termiczne metody utylizacji osadów ściekowych są ciągle procesem słabo rozpoznanym i udokumentowanym. W wielu przypadkach wciąż są na etapie badań wstępnych i opracowywania rozwiązań technologicznych [2]. Zgazowaniem paliwa nazywa się cykl przemian prowadzących do wytworzenia gazu. W praktyce jest to proces, w którym realizowane są endo- i egzotermiczne reakcje chemiczne (przy niedomiarze tlenu) z udziałem pierwiastka węgla, dwutlenku węgla, tlenku węgla, wodoru, pary wodnej i metanu [4]. Oprócz wytworzonego gazu palnego (CO, H 2, CH 4 ), powstają substancje ciekłe i smoliste oraz stałe (koksik, żużel). Zgazowanie odbywa się przez dodanie czynnika zgazowującego. Od rodzaju zastosowanego czynnika zależy w dużym stopniu skład i wartość opałowa otrzymanego gazu. Rozwój technologii zgazowania związany jest z rozwojem reaktorów zgazowania. Obecnie jest znanych kilka technologii zgazowania osadów ściekowych, które jednak nie są jeszcze stosowane szeroko komercyjnie. Znane rozwiązania konstrukcyjne reaktorów do zgazowania biomasy w tym osadów ściekowych można podzielić na 3 główne grupy [4, 13]: reaktory ze złożem stałym, reaktory ze złożem fluidalnym, reaktory strumieniowe. W zakresie małych i średnich mocy dominują technologie reaktorów ze złożem stałym. Rozróżnia się tu następujące typy reaktorów: przeciwprądowe (górnociągowe), współprądowe (dolnociągowe), krzyżowo-prądowe. W procesach zgazowania osadów ściekowych stosuje się najczęściej reaktory ze złożem stałym i fluidalnym. Gazyfikatory fluidalne nadają się zwłaszcza do zgazowania osadu organicznego o znacznej

3 części składników mineralnych. Powszechnie uznaje się, iż technologie fluidalne przeznaczone są dla układów o stosunkowo dużych mocach (>10MW) [10]. Wyniki badań pokazują [5, 9], iż zgazowanie osadów ściekowych w rektorach ze złożem stałym dolnociągowym (współprądowym) charakteryzują się stosunkowo niewielką zawartością smoły w wytwarzanym gazie. Jest to spowodowane tym, iż substancje smoliste będące produktem procesu przechodząc przez wysokotemperaturowe strefy spalania i zgazowania ulegają w większości dekompozycji i utlenieniu. Kiedy jednak niezbyt istotna pozostaje ilość smoły w wytwarzanym gazie, źródłem gazu mogą być reaktory przeciwprądowe. Osady ściekowe stanowią paliwo, które musi być odpowiednio przygotowane, by proces ich zgazowania mógł być traktowany jako obiecująca metoda wytwarzania ciepła. Pomimo tego, że osady ściekowe zawierają spore ilości fosforu, azotu i siarki, zgazowanie pozwala na przekształcenie siarki do siarkowodoru [8], azotu do amoniaku [3] a fosforu do stałych związków fosforanowych. Widać zatem, iż ogranicza się ilość produkowanych tlenków. Z tego względu zgazowanie wymaga mniejszych i mniej kosztownych instalacji do oczyszczania gazu [13]. W artykule przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych zgazowania osadów ściekowych w reaktorze ze złożem stałym. Badano wpływ rodzaju osadu ściekowego na skład otrzymanego gazu ze zgazowania. 2. EKSPEREMENT 2.1. Materiał do badań Do badań wykorzystano dwa rodzaje granulowanych osadów ściekowych (ss1 i ss2). Zestawienie własności obu paliw przedstawiono w tabeli 3. Tabela 3 Charakterystyka badanych paliw Paliwo Wilgotność, % a Zawartość części lotnych,% a Popiół, % a C, % b H, % b O, % b N, % b S, % b P, % b Wartość opałowa, MJ/kg b a stan roboczy, b stan suchy, bezpopiołowy Granulowane osady ściekowe 1 (ss1) 9,00 52,5 32,35 31,83 5,30 23,76 4,50 0,35 1,79 13,43 Granulowane osady ściekowe 2 (ss2) 25,00 44,5 31,50 33,78 4,92 22,89 4,25 0,85 1,81 10,92 Na rysunkach 2 i 3 pokazano zdjęcia badanych próbek. Próbki charakteryzują się wielkością ziaren od 4,75-6,50 mm.

4 Rys. 2. Osad ściekowy nr 1 (ss1) Rys. 3. Osad ściekowy nr 2 (ss2) 2.2. Aparatura Badania przeprowadzono w laboratorium Instytutu Techniki Cieplnej Politechniki Śląskiej. Schemat instalacji, która została zaprojektowana i zbudowana przez autorów jest przedstawiona na rysunku 4. Głównym elementem instalacji jest reaktor górnociągowy o średnicy wewnętrznej 150 mm i całkowitej wysokości wynoszącej 250 mm. Maksymalna waga wsadu złożonego z granulowanych osadów ściekowych wynosi 5 kg. Osad ściekowy dostarczany jest do reaktora z góry, podczas gdy czynnik zgazowujący (powietrze atmosferyczne) od dołu. Paliwo przemieszcza się w reaktorze po prąd przechodząc kolejno przez strefę suszenia, pirolizy, redukcji oraz spalania. Wilgoć jest odparowywana w strefie suszenia. W strefie pirolizy osad ściekowy poddawany jest termicznemu przekształceniu do części lotnych oraz postaci stałej. W strefie redukcji, następuje przekształcenie węgla oraz produkcja CO oraz wodoru, będące głównymi składnikami palnymi powstałego gazu ze zgazowania. W strefie spalania pozostała część stała zostaje spalona prowadząc do produkcji ciepła zużywanego następnie na endotermiczne reakcje w wyższych strefach. Temperatura w reaktorze jest mierzona dzięki umieszczonym sześciu termoparom typu N ulokowanych na całej (w równych odstępach) wysokości reaktora. Dodatkowo, mierzona jest temperatura gazu ze zgazowania na wyjściu z instalacji. Strumień masowy powietrza doprowadzanego do reaktora jest mierzony za pomocą przepływomierza. Gaz ze zgazowania jest transportowany rurą gazową poprzez cyklon, odpylacz oraz separator kropel. Udział molowy poszczególnych składników w gazie jest mierzony w systemie on-line za pomocą analizatorów. Dodatkowo, próbka gazu zostaje pobierana do worka pobierczego celem wykonania analizy chromatograficznej. Rys. 4. Schemat instalacji do zgazowania osadów ściekowych 3. WYNIKI BADAŃ 3.1. Wpływ stosunku nadmiaru powietrza na skład gazu ze zgazowania Rysunek 5 przedstawia wyniki badań uzyskanych podczas zgazowania osadu ściekowego 1 (ss1) w funkcji stosunku nadmiaru powietrza. Analizując rysunek widać, iż wraz ze wzrostem stosunku nad-

5 miaru powietrza udział metanu w gazie ze zgazowania maleje. Dla większości analizowanego zakresu stosunku nadmiaru powietrza udział metanu był niski. Udział molowy wodoru jest zmienny, ale zmienność ta nie jest wyraźna (z H2 =0,07-0,12). Udział molowy wodoru osiąga wartość największa dla stosunku lambda równym 0,42. Udział molowy tlenku węgla w całym zakresie analizy malał od 27 do 19%. Z kolei udział dwutlenku węgla rośnie wraz ze wzrostem stosunku nadmiaru powietrza. Ilość azotu także rośnie wraz ze wzrostem stosunku nadmiaru powietrza, co było podkreślane w czasie analizy teoretycznej [14, 15]. 0,6 0,5 udział molowy, % 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 stosunek nadmiaru powietrza CH4 CO CO2 H2 N2 Rys. 5. Skład gazu ze zgazowania w funkcji stosunku nadmiaru powietrza 3.2. Wpływ rodzaju osadu na skład gazu ze zgazowania Rysunek 6 przedstawia porównanie wyników badań procesu zgazowania osadów ściekowych dla dwóch rodzajów osadów ściekowych (ss1 i ss2). Przypadek 1 (ss1) jest zaznaczony linią ciągłą. Przypadek 2 z kolei (ss2) linią przerywaną. W przypadku 1, udział molowy CO zmieniał się w zakresie od 16 do 28%, podczas gdy w przypadku 2 od 19-27%. Wszystkie parametry procesowe były takie same w obu przypadkach. Udział molowy wodoru w obu przypadkach zmieniał się w zakresie od 5 do 15%. Udział ten jest większy w przypadku 2. Jest to zapewne spowodowane wyższą zawartością wilgoci w paliwie ss udział molowy CO udział molowy H stosunek nadmiaru powietrza CO; ss1 CO; ss2 H2; ss1 H2, ss2 Rys. 6. Udział molowy CO i H 2 w funkcji stosunku nadmiaru powietrza 3.3. Wpływ stosunku nadmiaru powietrza na ciepło spalania gazu ze zgazowania Rysunek 7 przedstawia zależność ciepła spalania gazu ze zgazowania osadów ściekowych w funkcji stosunku nadmiaru powietrza. Wzrostowi stosunku nadmiaru powietrza towarzyszy spadek ciepła spalania.

6 Ciepło spalania, kj/m3n ,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 stosunek nadmiaru powietrza ss1 ss2 Rys. 7. Zależność ciepła spalania w funkcji stosunku nadmiaru powietrza 4. PODSUMOWANIE Osady ściekowe są bardzo specyficznym materiałem pod kątem ich zgazowania. W pracy przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych procesu zgazowania granulowanych osadów ściekowych. Do badań wykorzystano autorskie stanowisko badawcze z reaktorem ze złożem stałym. Uzyskany gaz stanowi doskonałą alternatywę dla klasycznych paliw gazowych. Z uwagi na swe własności może pełnić rolę paliwa dodatkowego do zasilania kotłów gazowych czy też układów CHP, które są bardzo popularnymi jednostkami w oczyszczalniach ścieków. LITERATURA [1] Bień J., Nowak W.: Zgazowanie osadów ściekowych cz. I. Czysta Energia 2005, (42), 4. [2] Bień J., Nowak W.: Zgazowanie osadów ściekowych cz. II. Czysta Energia 2005, (43), 5. [3] Buckley J.C., Schwarz P.M., Renewable energy from gasification of manure: An innovative technology in search of fertile policy, Environ. Model. Assess. 2003, (84) [4] Chmielniak J., Skorek J., Kalina J., Lepszy S.: Układy zintegrowane ze zgazowaniem biomasy, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice [5] Dogru M., Midilli A., Howarth C.R.: Gasification of sewage sludge using a throated downdraft gasifier and uncertainty analysis. Fuel Processing Technology 2002, (75), [6] Katalog odpadów, Ministerstwo Środowiska, Dz. U nr 112 poz. 1206, 27 IX [7] Krajowy Plan Gospodarki Odpadami 2014, Uchwała nr 217 Rady Ministrów z dnia 24 XII 2010r., MP nr 101, poz [8] Meng X., de Jong W., Pal R., Verkooijen A.H.M., In bed and downstream hot gas desulphurization during solid fuel gasification: A review, Fuel Process. Technol. 2010, (91), [9] Midilli A., Dogru M., Howarth C.R., Ling M.J., Ayhan T.: Combustible gas production from sewage sludge with a downdraft gasifier. Energy Conversion and management 2001, (42), [10] Nadziakiewicz J., Wacławiak K., Stelmach S.: Procesy termiczne utylizacji odpadów, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2007 [11] Rocznik statystyczny GUS, Warszawa [12] Ustawa z dnia 27 IV 2001r. o odpadach (Dz. U nr 62 poz. 628). [13] Werle S., Modeling of the reburning process using sewage sludge-derived syngas, Waste Management 2012, (32), [14] Werle S., Wilk R.K., Investigation of the influence of different sewage sludge properties on the gasification process, Pol. J. Environ. Stud. 2010, (2),

7 GASEOUS FUEL PRODUCTION VIA SEWAGE SLUDGE GASIFICATION PROCESS Key words: gasification, sewage sludge, fixe bed gasifier, syngas Summary. Currently, the predominant method for the disposal of sewage sludge is storage and application on agricultural land, both of which are highly unfavorable. The significant amount of stored sewage sludge and the lack of installations for its thermal utilization are two major problems. This paper presents the experimental investigation of a sewage sludge gasification process. Installation with an updraft gasifier was used. An analysis of how sewage sludge composition, volatile matter content, and water content influence the composition of the gas obtained in the autothermal gasification process was conducted. The results were presented as a function of the amount of gasification agent and show that higher oxygen content in sewage sludge is detrimental to the temperature of the reaction. Paradoxically, this results in an increase in the quantity of combustible components in the gas. As expected, an increase in the air excess ratio causes a decrease in the heating value. Greater amounts of oxidizing agents tend to increase the amounts of noncombustible species and the volumetric fraction of nitrogen, thus decreasing the heating value of the gas obtained. Sebastian Werle, dr inż., adiunkt, Politechnika Śląska, Instytut Techniki Cieplnej, Zakład Techniki Spalania i Silników Spalinowych, sebastian.werle@polsl.pl. Ryszard K. Wilk, profesor zwyczajny, Politechnika Śląska, Instytut Techniki Cieplnej, Kierownik Zakładu Techniki Spalania i Silników Spalinowych, ryszard.wilk@polsl.pl