ANALIZA PRZYDATNOŚCI GAZU ZE ZGAZOWANIA OSADÓW ŚCIEKOWYCH W GAZOWNICTWIE Autorzy: Sebastian Werle, Ryszard K. Wilk ( Rynek Energii sierpień 2011) Słowa kluczowe: zgazowanie, osady ściekowe, syngaz, gazownictwo Streszczenie. Osady ściekowe są wciąż niewykorzystywanym w dostatecznym stopniu zasobem biomasy stałej. Z punktu widzenia zobowiązań wynikających z wprowadzania prawa wspólnotowego, obecna struktura wykorzystania osadów w Polsce jest wysoce niekorzystna. Głównym problemem jest brak instalacji do termicznego przekształcania osadów ściekowych. Zgazowanie osadów ściekowych jest wciąż procesem niedostatecznie rozpoznanym. W pracy przedstawiono wyniki obliczeń równowagowych procesu zgazowania różnych osadów ściekowych. Przeprowadzono teoretyczną analizę wpływu podstawowych czynników (skład elementarny zgazowywanego paliwa oraz stosunek nadmiaru powietrza λ) na skład uzyskiwanego gazu w autotermicznym procesie zgazowania. W obliczeniach, prowadzonych dla kilku rodzajów osadów ściekowych różniących się składem elementarnym, przyjęto, że ilość powietrza, użytego jako czynnik zgazowujący, doprowadzana do procesu została tak dobrana, aby stosunek nadmiaru powietrza zawierał się w przedziale 0,30-0,55. Wyniki analizy porównano z właściwościami gazu ziemnego, będącego podstawowym paliwem. 1. WSTĘP Osady ściekowe powstają w komunalnych i przemysłowych oczyszczalniach w procesie oczyszczania ścieków [10, 11]. Strumień osadów bardzo szybko wzrasta tworząc kolejną grupę odpadów wymagającą zgodnego ze standardami prawa wspólnotowego, rozwiązania ich zagospodarowania [15]. Ilość wytworzonych osadów ściekowych w Polsce systematycznie wzrasta. W 2000 roku wytworzono 1063 tyś. ton s.m., a w roku 2007 w 3041 oczyszczalniach ścieków już 1088,8 tyś. ton s.m. [17, 21]. Na podstawie założeń demograficznych tendencja ta ma się pogłębić. Dziś wciąż dominującym kierunkiem zagospodarowania komunalnych osadów ściekowych jest ich składowanie. Na rysunku 1 pokazano dzisiejszą strukturę gospodarki osadami ściekowymi [17]. 40% 22% 1% 7% 30% 1 2 3 4 5 Rys. 1. Struktura gospodarki osadami ściekowymi; 1 stosowane w rolnictwie, 2 stosowane do rekultywacji terenów, w tym gruntów na cele rolne, 3 stosowane do upraw roślin przeznaczonych do produkcji kompostu, 4 przekształcone termicznie, 5 składowane Z punktu widzenia zobowiązań wynikających z wprowadzania prawa wspólnotowego, powyższa struktura wykorzystania osadów jest wysoce niekorzystna. Głównym problemem jest praktycznie brak instalacji do termicznego przekształcania osadów ściekowych.
Zgodnie z [11] prognozuje się, iż w roku 2018 odsetek termicznie unieszkodliwianych osadów wzrośnie do 59%. By móc ten stan osiągnąć konieczny jest rozwój technologii termicznego przekształcania osadów. Krajowy Program Oczyszczania Ścieków Komunalnych przewidział finansowanie takich przedsięwzięć. Przykładem mogą być licznie oddawane do użytku instalacje odwodnienia, suszenia i granulacji osadu (np. Rzeszów, Iława, Myszków, Piaseczno i wiele innych), które charakteryzują się dodatkową korzyścią wytworzenia paliwa formowanego, przeznaczonego na rynek paliwowy. 2. TERMICZNE PRZEKSZTAŁCANIE OSADÓW ŚCIEKOWYCH Zgodnie z [18] 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 [3]. 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 [5]. 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 gazyfikatorów. 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 [2, 5, 10]: 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 części składników mineralnych. Powszechnie uznaje się, iż technologie fluidalne przeznaczone są dla układów o stosunkowo dużych mocach (>10MW) [14].
Wyniki badań pokazują [6, 12], 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. Aby określić przydatność osadów ściekowych do ich zgazowania należy poznać ich podstawowe właściwości fizyczne i chemiczne. Skład elementarny osadów ściekowych, zawartość pierwiastków śladowych oraz związków nieorganicznych zależny jest od wielu czynników, przy czym główną rolę może odgrywać region kraju lub świata. 3. OBLICZENIA SKŁADU GAZU ZE ZGAZOWANIA Teoretyczna analiza procesu zgazowania osadów ściekowych może pomóc w znalezieniu parametrów prowadzenia procesu, przy których uzyskiwany gaz ze zgazowania charakteryzować się będzie względnie dużą wartością opałową. W literaturze zajmującej się problematyką zgazowania można wyróżnić dwie możliwości analizy zjawiska. Pierwszy z nich [1] jest skoncentrowany na równowagowe obliczenie składu gazu. Drugi zaś [4], polega na wydzieleniu w procesie kilku stref w reaktorze. Większość modeli równowagowych bazuje na minimalizacji funkcji Gibbsa [1, 20], ale drugim spotykanym podejściem jest zastosowanie stałych równowagi chemicznej [22]. Obliczenia składu gazu uzyskanego ze zgazowania osadów ściekowych przeprowadzono opierając się na równowadze termodynamicznej, przy założeniach, że proces prowadzony jest w reaktorze dolnociągowym ze złożem stałym, przy ciśnieniu atmosferycznym. Czynnikiem zgazowującym jest powietrze atmosferyczne. Ilość smół powstających w tego typu reaktorach jest niewielka, dlatego założono, że substancjami, jakie powstają w procesie zgazowania są: CO 2, CO, H 2 O, H 2 i CH 4 oraz N 2 i O 2. Założono, iż czas pobytu substratów w reaktorze jest na tyle długi, aby osiągnąć stan równowagi. Takie uproszczenie zostało wcześniej potwierdzone przez innych autorów [22]. Analiza elementarna danego rodzaju osadu ściekowego przyjęta została na podstawie dostępnych źródeł literaturowych [7, 9, 13, 19]. W tabeli 1 przedstawiono średni skład elementarny ustabilizowanych, analizowanych osadów ściekowych w stanie suchym i bezpopiołowym (daf). Tabela 1 Średni skład elementarny ustabilizowanych osadów ściekowych w stanie suchym i bezpopiołowym (daf) Kraj wytworzenia c h n o 1 - Hiszpania 52,3 8,0 6,7 33,0 2 - Australia 41,8 5,4 4,3 48,5 3 - Islandia 53,5 6,6 4,1 35,8 4- Korea Pd. 55,1 8,6 7,2 29,1 Strumień doprowadzonego powietrza do reaktora został dobrany w taki sposób, aby stosunek nadmiaru powietrza zawierał się w przedziale λ=0,3 0,55. Do obliczeń wykorzystano program Gaseq.
Wyniki symulacji obliczeniowych przedstawiono na rysunkach 2-5. Na rysunku 2 przedstawiono skład gazu ze zgazowania w funkcji stosunku nadmiaru powietrza podczas zgazowania osadów ściekowych (kraj wytworzenia Korea Pd.) dla założonej temperatury w strefie zgazowania równej T zg =1000K. 0,6 0,5 udział molowy składnika 0,4 0,3 0,2 0 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 lambda metan tlenek wegla ditlenek węgla wodór azot Rys. 2. Skład gazu w funkcji stosunku nadmiaru powietrza dla zgazowania osadu ściekowego (Korea); Tzg=1000K Wyniki otrzymane dla pozostałych analizowanych osadów były podobne jeśli wziąć pod uwagę tendencje przebiegów zmian udziałów molowych rozpatrywanych składników. Udział metanu w gazie ze zgazowania zmniejsza się wraz ze wzrostem stosunku nadmiaru powietrza. Dla większej części analizowanego zakresu λ jest on mały, osiągając maksymalnie wartość około 10% dla λ=0,3. Udział wodoru w gazie ze zgazowania osadów ściekowych wykazuje zmienną tendencję, gdyż obserwuje się maksimum udziału molowego wodoru dla stosunku nadmiaru powietrza wynoszącego ok. 0,42. Nie są to jednak zmiany duże oscylują w granicach od około 0,07 do 2. Udział ditlenku węgla w gazie ze zgazowania zwiększa się wraz ze wzrostem stosunku nadmiaru powietrza. W badanym zakresie λ, molowy udział tlenku węgla spada od wartości około 0,27 do około 9. Udział molowy azotu rośnie wraz ze wzrostem stosunku nadmiaru powietrza, czego należało się spodziewać, ze względu na doprowadzaną do procesu większą ilość powietrza. Na rysunkach 3-5 przedstawiono porównanie uzyskanych wyników dla badanych rodzajów osadów ściekowych. Jak widać, istnieje wartość stosunku nadmiaru powietrza, dla którego udział molowy wodoru jest największy. Jednocześnie widać, iż osady ściekowe australijskie charakteryzują się najwyższym udziałem wodoru (udział molowy tlenu wynoszący około z O2 =17%) spośród wszystkich analizowanych osadów. Widać również, iż australijskie osady ściekowe wykazują najwyższą zawartość metanu spośród wszystkich analizowanych osadów. Niezależnie od typu osadu zawartość metanu w uzyskanym gazie maleje wraz ze wzrostem stosunku nadmiaru powietrza osiągając wartość bliską 0 dla λ=0,55. Udział molowy CO 2 w gazie ze zgazowania rośnie wraz ze wzrostem stosunku nadmiaru powietrza.
0,2 8 6 udział molowy wodoru 4 2 0,08 0,06 0,04 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 lambda Hiszpania Australia Islandia Korea Rys. 3. Udział molowy wodoru w gazie ze zgazowania w funkcji stosunku nadmiaru powietrza dla różnych typów osadów ściekowych 8 6 4 udział molowy metanu 2 0,08 0,06 0,04 0,02 0 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 lambda Hiszpania Australia Islandia Korea Rys. 4. Udział molowy metanu w gazie ze zgazowania w funkcji stosunku nadmiaru powietrza dla różnych typów osadów ściekowych 0,4 0,25 udział molowy tlenku węgla 0,35 0,3 0,25 0,2 5 0,05 0,2 5 0,05 udział molowy ditlenku węgla 0 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 lambda Hiszpania Australia Islandia Korea Hiszpania Australia Islandia Korea Rys. 5. Udział molowy tlenku i ditlenku węgla w gazie ze zgazowania w funkcji stosunku nadmiaru powietrza dla różnych typów osadów ściekowych 0 Udział CO maleje wraz ze wzrostem stosunku nadmiaru powietrza, przy czym największe wartości występują dla λ=0,3 i osadów ściekowych z Australii. Osady te charakteryzują się najwyższą zawartością
tlenu i jednocześnie najniższą zawartością węgla (w porównaniu z pozostałymi osadami), jednakże charakteryzują się najwyższą zawartością składników palnych w gazie. Wytłumaczyć to można wykorzystując regułę przekory Le Chateliera-Brauna. Palne składniki gazu ze zgazowania tworzą się na drodze reakcji egzotermicznych. Wysoka zawartość tlenu w osadach ściekowych z Australii powoduje obniżenie temperatury reakcji, a to przekornie powoduje przesuniecie reakcji w kierunku równowagi i wzrost ilości palnych składników w gazie. W tabeli 2 porównano najważniejsze analizowane właściwości gazu ze zgazowania różnych osadów ściekowych z metanem, jako paliwem podstawowym. Analizując tę tabelę można zauważyć, iż gaz ze zgazowania osadów ściekowych może mieć kilka razy niższą wartość opałową od gazu ziemnego. Należy jednak pamiętać, że zapotrzebowanie powietrza jest znacznie niższe niż w przypadku gazu ziemnego, a to oznacza, że energia chemiczna paliwa przekazywana jest do mniejszej ilości spalin niż to miało miejsce podczas spalania gazu ziemnego. W składzie gazu ze zgazowanie obserwuje się znaczne ilości tlenku węgla i wodoru. Stwarza to potencjalne zagrożenie wybuchowe i toksykologiczne w przypadku wydostania się gazu z instalacji. Wymienione składniki to jednocześnie główne składniki palne. Oba palą się płomieniem słabo promieniującym i stąd odbiór ciepła powinien następować głównie na drodze konwekcji. Tabela 2 Podstawowe własności gazu ze zgazowania osadów ściekowych i gazu ziemnego Maksymalny udział molowy, % W d, MJ/m 3 n CH 4 H 2 CO CO 2 N 2 1 16,0 12,0 35,0 8,0 29,0 10,6 2 14,0 13,6 32,6 20,0 19,8 9,9 Osad 3 8,0 11,0 28,0 15,0 38,0 6,9 4 9,0 11,6 27,0 11,0 45,4 7,2 Gaz ziemny 98,8 - - 0,2 1 31,0 6. PODSUMOWANIE I WNIOSKI Osady ściekowe są bardzo specyficznym materiałem pod kątem ich zgazowania. Ich skład elementarny jest bardzo zmienny, zależny od regionu powstania. Uznając za nadrzędną potrzebę rozwoju termicznych metod unieszkodliwiania osadów ściekowych, a szczególnie niepoznanego dotąd w dostatecznie dobrym stopniu zgazowania, należy dokonywać teoretycznych analiz tego procesu. Wnioski z tych analiz pomogą w znalezieniu parametrów prowadzenia procesu, przy których uzyskiwany gaz ze zgazowania charakteryzować się będzie względnie dużą kalorycznością. Nie należy się spodziewać co oczywiste wyników chociażby zbliżonych do gazu ziemnego, lecz niskie zapotrzebowanie na powietrze do spalania powoduje, że jego spalanie nie nastręcza problemów.
LITERATURA [1] Altafini R., Bander P., Barreto M.: Prediction of the working parameters of a wood waste gasifier through equilibrium model. Energy Conversion and Management 2003, 44, 459-469. [2] Bień J., Nowak W.: Zgazowanie osadów ściekowych cz. I. Czysta Energia 2005, (42), 4. [3] Bień J., Nowak W.: Zgazowanie osadów ściekowych cz. II. Czysta Energia 2005, (43), 5. [4] Blasi C.D.: Dynamic behavior of stratified downdraft gasifier. Chemical Engineering Science 2000, 55, 2931-2944. [5] Chmielniak J., Skorek J., Kalina J., Lepszy S.: Układy zintegrowane ze zgazowaniem biomasy, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2008. [6] Dogru M., Midilli A., Howarth C.R.: Gasification of sewage sludge using a throated downdraft gasifier and uncertainty analysis. Fuel Processing Technology 2002, 75, 55-82. [7] Dominguez A., Menendez J.A., Pis J.J.: Hydrogen rich fuel gas production from the pyrolysis of wet sewage sludge at high temperature. J.Anal. Appl. Pyrolysis 2006, 77, 127-132. [8] Dyrektywa 2001/77/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 27 września 2001r.w sprawie wspierania produkcji na rynku wewnętrznym energii elektrycznej wytwarzanej ze źródeł odnawialnych. [9] Hyun P.J., Hyeon H.S., Young-Kwon P., Jin-Heong T., Jong-Ki J., Junhong P., Changkook R., Seung-Soo K.: Clean bio-oil production from fast pyrolysis of sewage sludge: Effects of reaction conditions and metal oxide catalysts. Bioresource Technology 2010, 101, 83-85 [10] Krajowy Plan Gospodarki Odpadami 2010, Uchwała Rady Ministrów nr 233 z dn. 29 XII 2006 (Monitor Polski z dn.29 grudnia 2006). [11] Krajowy Program Oczyszczania Ścieków Komunalnych, Ministerstwo Środowiska, Warszawa 2003 [12] 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, 42,155-172. [13] Mountouris A., Voutsas E., Tassios D.: Plasma gasification of sewage sludge: process development and energy optimization. Energy Conversion and Management. 49 (2008) p. 2264-2271. [14] Nadziakiewicz J., Wacławiak K., Stelmach S.: Procesy termiczne utylizacji odpadów, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2007. [15] Pająk T.: Termiczne przekształcanie, jako element systemu zagospodarowania odpadów komunalnych i osadów ściekowych. VI Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna Zarządzanie środowiskiem na terenach uprzemysłowionych nowoczesne systemy, techniki i technologie. Zakopane, 15-17 marca 2005 r. [16] Polityka energetyczna Polski do 2030 roku, Dokument przyjęty przez Radę Ministrów w dniu 10 listopada 2009 roku. [17] Rocznik Statystyczny. Ochrona Środowiska. GUS Warszawa 2008. [18] Ustawa z dnia 27 IV 2001r. o odpadach (Dz. U. 2001 nr 62 poz. 628). [19] Shen L., Hang D.-K.: An experimental study of oil recovery from sewage sludge by low-temperature pyrolysis in a fluidised-bed. Fuel 2003, 82, 465-472. [20] Werle S., Wilk R.K.: Investigation of the influence of different sewage sludge properties on the gasification process. Polish Journal of Environmental Studies, Series of Monographs, 2010, 2, 225-229. [21] Werle S., Wilk R.K.: A review of methods for the thermal utilization of sewage sludge: The Polish perspective. Renewable Energy, 2010, 3, 1914-1919. [22] Zainal Z.A., Ali R., Lean C.H., Seetharamu K.N.: Prediction of performance of a downdraft gasifier using equilibrium modeling for different biomass materials. Energy Conversion and Management 2001, 42, 1499-1515.
ANALYSIS OF USE A SEWAG SLUDGE DERIVED SYNGAS IN THE GAS INDUSTRY Key words: gasification, sewage sludge, syngas, gas industry Summary. Currently, the predominant method for the disposal of sewage sludge is its storage and agricultural application. However, the legislation taking effect in the next few years will effectively block these avenues of sewage-sludge disposal. Therefore, effective methods of thermal sewage-sludge utilization must be developed. The paper presents the results of equilibrium calculations of gasification process for different sewage sludge. A theoretical analysis of the influence of the main factors (elementary composition of the fuel and air excess ratio λ) on the composition of the gas obtained in the autothermal gasification process was conducted. The calculations were carried out for several types of sewage sludge. It was assumed, that the quantity of air, used as a gasification factor, conveyed to the process was such that the ratio of excess air was in the range 0.30-0.55. Analysis results were compared with those of natural gas as primary fuel. Sebastian Werle, dr inż., adiunkt, Politechnika Śląska, Instytut Techniki Cieplnej, Zakład Techniki Spalania i Silników Spalinowych, e-mail: sebastian.werle@polsl.pl. Działalność naukowa autora związana jest ze spalaniem i zgazowaniem biomasy ze szczególnym uwzględnieniem osadów ściekowych, technologią HTAC, niskoemisyjnymi technikami spalania oraz technologiami generacji energii elektrycznej i ciepła. Ryszard K. Wilk, profesor zwyczajny, Politechnika Śląska, Instytut Techniki Cieplnej, Kierownik Zakładu Techniki Spalania i Silników Spalinowych; Dziekan Wydziału Inżynierii Środowiska i Energetyki w latach 1996-2002, prorektor ds. Dydaktyki Politechniki Śląskiej w latach 2002-2008; ryszard.wilk@polsl.pl; Działalność naukowa autora związana jest z rozpylaniem cieczy, paliwami i ich właściwościami, spalaniem paliw stałych, ciekłych i gazowych, niskoemisyjnym spalaniem, ograniczeniem emisji szkodliwych substancji, spalaniem oraz zgazowaniem biomasy, zgazowaniem węgla, technologią HTAC.