Termiczne sposoby zagospodarowania osadów ściekowych. Energia ze ścieków Autor: Sebastian Werle - Politechnika Śląska ( Energetyka Cieplna i Zawodowa nr 9/2010) W roku 2007 wytworzono w Polsce 533 tys. ton suchej masy komunalnych osadów ściekowych. Co więcej szacuje się, że ilość ta w roku 2018 wzrośnie do 706,6 tys. ton. Stwarza to ogromny potencjał ich termicznego zagospodarowania. Oczyszczalnie ścieków komunalnych w Polsce obsługują 63,1% społeczeństwa [3]. W krajach Europy Zachodniej wskaźnik ten wynosi 78%. Dominującym kierunkiem zagospodarowania KOŚ w Polsce jest ich unieszkodliwianie przez składowanie. Z punktu widzenia zobowiązań w dostosowywaniu polskiego prawa do wymogów Unii Europejskiej (UE) jest to wysoce niekorzystne. Głównym problemem jest brak instalacji do termicznego przekształcania osadów ściekowych. Podstawowymi aktami prawnymi związanymi z postępowaniem z KOŚ są: Ustawa o odpadach [4], Rozporządzenie Ministra Środowiska [5] oraz Rozporządzenie Ministra Gospodarki i Pracy [6]. Przepisy te wynikają z transpozycji do prawa krajowego aktów prawnych UE. Wśród nich należy wymienić Dyrektywę 91/271/EEC [7] wraz z jej poprawką Dyrektywą 98/15/EC, nakazującą przetwarzanie osadów ściekowych. Drugą z Dyrektyw jest tzw. Dyrektywa osadowa 86/278/EEC [8], która wprowadza ograniczenia w używaniu osadów ściekowych w rolnictwie. Ostatnim z najistotniejszych aktów wspólnotowych jest Dyrektywa 99/31/EC w sprawie składowania odpadów [9]. Jej konsekwencją jest zakaz składowania wprowadzony po dniu 1 I 2013 r. osadów o cieple spalania wynoszącym co najmniej 6 MJ/kg. Parametr ten ograniczy możliwość składowania osadów nieprzetworzonych na składowisku innym niż składowisko odpadów niebezpiecznych. Prognozowane zmiany W związku z przedstawionymi faktami, istnieje duża konieczność rozwoju termicznych metod utylizacji KOŚ. Zgodnie z [2] prognozowane, konieczne zmiany postępowania z osadami ściekowymi w Polsce kształtować się będą jak przedstawiono na rysunku 1.
100% 90% 80% 22 13 10 70% 18 18 60% 50% 20 40% 30% 59 20% 40 10% 0% 2015 2018 przekształcane termicznie kompostowane wykorzystane rolniczo i przemysłowo stosowane do rekultywacji Rys. 1. Prognozowane zmiany w postępowaniu z KOŚ w Polsce [2] Termiczne metody utylizacji KOŚ Aby określić przydatność KOŚ do ich termicznego przekształcania, należy poznać ich podstawowe właściwości fizyczne i chemiczne. Skład elementarny KOŚ zależny jest od wielu czynników, przy czym główną rolę może odgrywać region kraju lub świata [10]. W tabeli 1 przedstawiono przykładowy skład KOŚ [11]. Termiczne metody utylizacji osadów ściekowych nie są jak dotąd szeroko i powszechnie stosowane w skali przemysłowej, jednak spełnienie wymagań UE odnośnie strumienia energii generowanej w kraju z odnawialnych źródeł energii, nie jest jednak możliwe do realizacji bez wprowadzenia technologii termicznej utylizacji osadów. Tabela 1 Przykładowy skład KOŚ [11] Kraj wytworzenia C, % wag. H, % wag. N, % wag. O, % wag. Hiszpania 52,3 8,0 6,7 33,0 Australia 41,8 5,4 4,3 48,5 Islandia 53,5 6,6 4,1 35,8 Korea Płd. 55,1 8,6 7,2 29,1 Polska (średnio Śląsk) 52,1 6,8 6,5 34,6 Na rysunku 2 pokazano schemat głównych dróg termicznego unieszkodliwiania KOŚ.
Mokre osady ściekowe Odwadnianie suszenie Spalanie Współspalanie Procesy alternatywne Piroliza Zgazowanie Rys. 2. Główne sposoby termicznej utylizacji KOŚ Spalanie Spalanie jest podstawowym procesem termicznej utylizacji. Proces spalania nie jest obojętny dla środowiska, a wiąże się z tym emisja pyłów, związków siarki i azotu oraz dioksyn i furanów. Z tego względu instalacje spalania muszą być wyposażone w szereg urządzeń służących do oczyszczania spalin. Spalanie osadów najczęściej jest realizowane w paleniskach fluidalnych ze złożem pęcherzykowym [12] lub cyrkulacyjnym [13]. Polskim przykładem spalania osadów może być oczyszczalnia ścieków w Gdyni-Dębogórze [14]. Proces spalania osadu odbywa się w instalacji, w której skład wchodzą, obok kotła fluidalnego, suszarka bębnowa, zespół wymienników ciepła oraz urządzenia do oczyszczania spalin. Wydajność spalarni wynosi około 80 Mg osadów/doba. Współspalanie Proces ten związany jest z możliwością współspalania osadów w dużych, istniejących zakładach przemysłowych tj. elektrowniach, elektrociepłowniach bądź cementowniach. Zakłady tego typu są już w większości przypadków wyposażone w odpowiednie instalacje, w których mógłby być prowadzony proces współspalania. Przy podejmowaniu się prowadzenia tego procesu, podstawową informacją, jaką powinno się wziąć pod uwagę, jest informacja o jakości dostarczanych osadów. Niektóre ich własności, takie jak: wysoka wilgotność, duży udział części lotnych oraz niska gęstość utrudniają ich energetyczne użytkowanie. Wysoka wilgotność powoduje zwiększenie zapotrzebowania na energię zewnętrzną oraz obniża kaloryczność mieszanki paliwowej. Niska gęstość powoduje natomiast, że do komory paleniskowej należy dostarczać więcej paliwa. Trzeba się również liczyć z faktem, iż parametry wejściowe dostarczanych osadów będą się różnić w zależności od dostawcy oraz
okresu dostarczenia. Wymaga to na eksploatatorze instalacji zagwarantowania prawidłowej pracy kotłów niezależnie od jakości dostarczanego paliwa. W zależności od sposobu dostarczenia osadów, technologie ich współspalania można podzielić na [15]: 1. Współspalanie bezpośrednie przez mieszanie osadów z węglem na składowisku lub mieszanie w palenisku kotła przez oddzielne wprowadzanie osadów i węgla do kotła. 2. Współspalanie pośrednie przez zgazowanie osadów w oddzielnej instalacji i następnie spalanie produktów zgazowania w kotle. 3. Współspalanie równoległe polegające na spalaniu osadów w osobnym kotle i przesłaniu wyprodukowanej w nim pary lub gorących spalin do odrębnego kotła. W warunkach polskich szczególnie ciekawe wydaje się być współspalanie osadów ściekowych w kotłach pyłowych. Przykładem pierwszych prób może być instalacja współspalania osadów ściekowych w kotle pyłowym OP-230 w EC Wybrzeże [16]. Kolejnym przykładem współspalania jest oczyszczalnia ścieków w Niepołomicach w województwie małopolskim [17]. Osad ściekowy jest współspalany ze zrębkami drzewnymi w palenisku fluidalnym o mocy 1 MW. Innym polskim przykładem współspalania osadów z węglem jest kocioł rusztowy WR-25 [18], gdzie współspalano osad ściekowy z węglem kamiennym w stosunku 97,5/2,5% wag. i 96,4/3,6% wag. Interesującym przykładem współspalania KOŚ z węglem jest niemiecka elektrociepłownia (EC) Heilbronn [19], w której współspala się z węglem odwodnione osady o zawartości suchej masy ~25% w ilości stanowiącej 4% udział w mieszance paliwowej w przeliczeniu na strumień energii chemicznej wprowadzanej do kotła. Doświadczenia uzyskane przy współspalaniu w tej instalacji wskazują, że współspalanie osadów odwodnionych mechanicznie stwarza mniej operacyjnych i środowiskowych problemów. Nie stwierdzono wystąpienia negatywnych skutków środowiskowych w porównaniu do przypadku, gdy spalany jest wyłącznie węgiel kamienny. Krajowe badania doświadczalne przeprowadzone w układach pracujących zalecają, aby udział osadów w strumieniu paliwa nie przekraczał 5%. Światowe doświadczenia pokazują, iż dodatek osadów do paliwa może wynosić 20%, a nawet 30% [21]. Te rozbieżności skłaniają naukowców do teoretycznych analiz procesu współspalania osadów. Wyniki tych teoretycznych analiz pokazały, iż zarówno wzrost zawartości osadów w mieszance paliwowej, jak i wzrost λ (stosunek nadmiaru powietrza w komorze spalania) powoduje obniżenie sprawności kotła. Nie mniej jednak, bardzo ważne jest to, iż spadek ten nie jest duży, a spowodowany głównie wzrostem straty wylotowej fizycznej. Na rysunku 3 pokazano zależność sprawności kotła w funkcji zawartości udziału osadów ściekowych w mieszance palnej dla kotła fluidalnego CFB-420.
sprawność, % 93,0 92,5 92,0 91,5 91,0 90,5 90,0 89,5 0 5 10 15 20 zawartość osadów ściekowych w paliwie, % 1,1 1,15 1,2 1,25 1,3 1,35 1,4 1,45 1,5 Rys. 3. Sprawność kotła CFB-420 w funkcji udziału osadów ściekowych w mieszance paliwowej dla różnych wartości stosunku nadmiaru powietrza Szeroko rozpatrywane jest również współspalanie osadów w piecach cementowych, bowiem w technologii wypalania klinkieru można spalać różnego rodzaju odpady odpowiednio przygotowane pod względem jednorodności i kaloryczności. Kolejną możliwością termicznego przekształcania osadów jest współspalanie z odpadami komunalnymi. Rozwiązanie to ma na celu przede wszystkim ograniczenie kosztów utylizacji odpadów i osadów. Zgazowanie Zgazowanie to proces, w którym realizowane są endo- i egzotermiczne reakcje chemiczne (przy niedomiarze tlenu) z udziałem pierwiastka węgla, CO 2, CO, H 2, H 2 O i CH 4 [25, 26]. Oprócz wytworzonego gazu palnego, powstają substancje ciekłe i smoliste oraz stałe (koksik, żużel). Zgazowanie odbywa się przez dodanie czynnika zgazowującego. Od rodzaju zastosowanego czynnika zgazowującego (np. powietrze, tlen) zależy skład i wartość opałowa otrzymanego gazu. Przykładowy skład gazu ze zgazowania osadów przedstawiono w tabeli 2 [27, 28]. Uwzględniono w niej tylko najważniejsze palne składniki resztę w zależności od medium zgazowującego stanowi m.in. O 2, N 2 czy też CO 2. Wartość opałowa gazu ze zgazowania waha się wokół wartości 4 MJ/m 3. Otrzymywany gaz może być wykorzystywany do generacji energii elektrycznej lub do produkcji ciepła, np. w celu suszenia osadów [29]. Tabela 2 Typowa zawartość palnych składników w gazie ze zgazowania osadów [27, 28] Składnik Tlenek węgla Wodór Metan Etan Acetylen % obj. 6,28-10,77 8,89-11,17 1,26-2,09 0,15-0,27 0,62-0,95
W procesach zgazowania osadów ściekowych stosuje się najczęściej reaktory ze złożem stałym i fluidalnym. W [33] wymienia się kilka technologii zgazowania. Wymienić można wśród nich Technologię Krupp Uhde PreCon zgazowania suchego osadu w reaktorze fluidalnym. W pracy [34] zaprezentowano wyniki badań eksperymentalnych nad procesem zgazowania surowych osadów ściekowych w reaktorze fluidalnym i wykorzystania otrzymanego gazu w układzie CHP (Combined Heat and Power). Wnioski wskazują, iż surowy osad powinien być jednak wcześniej suszony, by nie utrudniał eksploatacji zgazowarki, a uzyskany gaz w sposób bardzo efektywny oczyszczony. Do podobnych wniosków doszli autorzy w pracy [35], w której zaprezentowano reaktor fluidalny zgazowania. Powszechnie uznaje się, iż technologie fluidalne przeznaczone są dla układów o stosunkowo dużych mocach (>10MW) [36]. Jednocześnie wiadomo, że w turbinach gazowych lub silnikach tłokowych, które napędzają generatory prądu elektrycznego lub maszyny robocze istnieją duże wymagania, co do jakości gazu. Na przykład minimalna wartość opałowa (4-6MJ/m 3 ), minimalny udział wodoru (10-20%), brak lub postać parowa smoły, maksymalny udział chlorowodoru (1 ppm) itd. [37]. Praca ta potwierdza, iż użycie reaktora fluidalnego jest w stanie spełnić te wymagania. W pracy [38] przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych zgazowania osadów w reaktorze ze złożem stałym dolnociągowym (współprądowym). Wyniki badań pokazują, iż zgazowanie osadów w tego typu rektorach charakteryzuje się stosunkowo niewielką zawartością smoły w wytwarzanym gazie. Kiedy jednak niezbyt istotna pozostaje ilość smoły w wytwarzanym gazie, a uzyskany gaz chce się stosować na przykład jako paliwo w kotłach grzewczych przy współspalaniu z węglem, źródłem gazu mogą być reaktory przeciwprądowe. Zgazowanie w polskich realiach W Polsce, mimo iż generalnie mówi się o braku doświadczeń w zakresie zgazowania osadów ściekowych, to prowadzi się badania w skali laboratoryjnej. Przykładem może być instalacja zgazowarki fluidalnej EKOD firmy ZAMER [42]. Wydajność zgazowarki wynosiła 1,7 t/h osadów. Gaz ze zgazowania był współspalany w kotle rusztowym. W warunkach polskich rysuje się duża możliwość wykorzystania gazu ze zgazowania osadów jako paliwa reburningowego w kotłach rusztowych i retortowych, które są bardzo popularnymi jednostkami w polskiej energetyce. Reburning to koncepcja wstrzykiwania dodatkowego paliwa wzdłuż głównego płomienia, tak by - poprzez wytworzenie redukcyjnej atmosfery - zminimalizować emisję NO x. Jest to skuteczniejsza, lecz bardziej skomplikowana w porównaniu z bardzo rozpowszechnionym w energetyce stopniowaniem powietrza, metoda pierwotna obniżania emisji NO x z procesów spalania. Wykorzystuje się w niej mechanizm redukcji NO przy pomocy aktywnych rodników generowanych w wyniku niezupełnego spalania paliwa uzupełniającego. W porównaniu z efektywnymi, lecz drogimi naturalnymi paliwami węglowodorowymi, gaz ze zgazowania osadów jest dobrą alternatywą do tego rodzaju działań ograniczających emisję.
względna zawartość tlenków azotu Wyniki obliczeń, iż dzięki stosowaniu gazu ze zgazowania osadów, można osiągnąć nawet 40% zmniejszenie emisji tlenków azotu (rys. 4.) 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2 stosunek nadmiaru pow ietrza T=900K T=1000K Rys. 4. Względna zmiana zawartości tlenków azotu w funkcji stosunku nadmiaru powietrza dla różnych temperatur zgazowania; paliwo reburningowe: gaz ze zgazowania osadów ściekowych Piroliza Generalnie można przyjąć, że piroliza to proces degradacji (rozkładu) cząsteczki związku chemicznego pod wpływem dostatecznie wysokiej temperatury (300-900 o C [28]) w środowisku beztlenowym [34]. Głównymi grupami produktów powstającymi z pirolizy osadów ściekowych są [21] frakcja gazowa, której głównym składnikiem jest H 2, CH 4, CO i CO 2, frakcja stała stanowiąca tzw. koks pirolityczny oraz frakcja ciekła, złożona głównie ze smół i olejów oraz wody. Proporcje między poszczególnymi składnikami zależą przede wszystkim od temperatury i ciśnienia procesu. Na procesie pirolizy oparta jest technologia Oil From Sludge [45]. Istotą tego procesu jest podawanie osadów o zawartości 95% suchej masy, działaniu temperatury 450 o C przez okres dłuższy niż 30 minut przy ciśnieniu atmosferycznym. W efekcie otrzymuje się węglowodory i stałe produkty zwęglania (np. koks pirolityczny). Otrzymana natomiast ciecz węglowodorowa może służyć jako surowiec do wykorzystania w wielu gałęziach przemysłu (np. w przemyśle petrochemicznym). Niezwykle istotnym procesem pirolizy osadów jest technologia Carvera-Greenfielda (C-R), prowadząca do otrzymania zastępczego paliwa stałego [46]. Proces ten stanowi jednocześnie możliwość wysuszenia osadów przed podaniem ich do spalenia czy też zgazowania. Istotą procesu jest zmieszanie surowych osadów z olejem odpadowym (np. silnikowym). Mieszankę
taką przepuszcza się przez system wyparny, aby odparować całą wodę. Po osuszeniu, szlam podaje się do wirówki celem oddzielenia fazy ciekłej od cząstek stałych. W efekcie uzyskuje się paliwo stałe oraz fazę ciekłą zawracaną do układu. Reasumując 1. Zgodnie z prognozami, strumień produkowanych ścieków, a tym samym osadów ściekowych, będzie rósł; wynika to z jednej strony ze zmiany stylu życia społeczeństwa, ale również z coraz większego odsetku ludności podłączonych do sieci kanalizacyjnej. 2. Ograniczenia prawne determinują wybór sposobu unieszkodliwiania osadów ściekowych; składowanie w miejscach innych niż składowiska odpadów niebezpiecznych, a nawet przyrodnicze wykorzystanie w ciągu kilku lat będzie musiało być zastąpione innymi metodami. 3. Metody termiczne stanowią propozycję, która za kilka lat musi (i będzie dominować). W związku z tym postuluje się rozwój termicznych metod utylizacji unieszkodliwiania osadów ściekowych. Literatura oraz pełny tekst artykułu dostępne na www.energetyka.e-bmp.pl