Zakres opracowania.pdf

8/18/2019 Zakres opracowania.pdf

1/18

Raport CNT nr 1/2016. Technologie spalania osadów ściekowych

1 | S t r o n a

TECHNOLOGIE SPALANIA OSADÓW ŚCIEKOWYCH

Autor

Natalia Gemza

Sprawdził

Jerzy Kacalak Zaakceptował

Tomasz Konieczny

Wrocław

Marzec 2016

RAPORT SERII CNT NR 1/2016

TECHNOLOGIE SPALANIA OSADÓW ŚCIEKOWYCH


2/18


2 | S t r o n a


3/18


3 | S t r o n a

SPIS TREŚCI

SPIS TREŚCI .................................................................................................................................................3

1. ROZWIĄZANIA SYSTEMU SPALANIA OSADÓW ŚCIEKOWYCH ......................................4

1.1. PIECE PÓŁKOWE ...........................................................................................................................5

1.2. PIECE FLUIDALNE .........................................................................................................................6

2. KONSEKWENCJE PODSTAWOWYCH RÓŻNIC W BUDOWIE ............................................8

3. MOŻLIWOŚCI MODYFIKACJI PIECÓW PÓŁKOWYCH ....................................................... 11

4. DOKUMENT REFERENCYJNY BAT ............................................................................................ 14

5. SPALARNIE OSADÓW ŚCIEKOWYCH W POLSCE ............................................................... 16

6. PODSUMOWANIE ......................................................................................................................... 17

7. LITERATURA ..................................................................................................................................... 17

8. SPIS ILUSTRACJI ............................................................................................................................. 18

9. SPIS TABEL ....................................................................................................................................... 18


4/18


4 | S t r o n a

1. Rozwiązania systemu spalania osadów ściekowych

Koszty zagospodarowania odwodnionych osadów ściekowych metodami przyrodniczymi orazaspekty środowiskowe takiego rozwiązania spowodowały, że najczęściej wybieraną przezduże oczyszczalnie ścieków oraz rekomendowaną przez ustawodawstwo europejskie drogązagospodarowania osadów jest ich termiczna utylizacja. Na poniższym wykresieprzedstawiona jest przewidywana przez Krajowy Plan Gospodarki Odpadami Ministerstwa

Środowiska z 2014r. W ciągu najbliższych 4 lat przewiduje się wzrost udziałuunieszkodliwiania termicznego osadów ściekowych do poziomu 30%.

Rysunek 1 Zmiany w strukturze odzysku i unieszkodliwiania osadów z komunalnych oczyszczalni ścieków wperspektywie do 2020r.

Istnieją trzy główne sposoby termicznej utylizacji osadów: spalenie, współspalanie orazmetody alternatywne tj. piroliza czy zgazowanie (Bień, 2012). W skali przemysłowejstosowane jest na dzień dzisiejszy tylko monospalanie (w wydzielonej instalacji z

wykorzystaniem ciepła ze spalania do wstępnego suszenia osadów) lub współspalanie (głównie w przemyśle cementowym, energetyce i spalarniach odpadów komunalnych).

Głównymi zaletami procesu spalania są: największa możliwa redukcja objętości osadów – ok. 90% redukcji objętości w

porównaniu z osadem odwodnionym; termiczny rozkład toksycznych związków organicznych oraz całkowita higienizacja

osadu;

możliwość odzysku maksymalnej ilości energii z materii organicznej; minimalizacja odorów powstających podczas zagospodarowania osadów ściekowych.

Intensywny rozwój technologii spalania w ostatnich kilku dekadach spowodował, żeoptymalne warunki tego procesu są dobrze poznane a obecne prace badawcze skupiają się

Unieszkodliwianie

termiczne

Kompostowanie

Wykorzystanie

rolnicze i

przyrodnicze

Stosowane do

rekultywacji

Inne działania

Składowanie

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

2012 2016 2020


5/18


5 | S t r o n a

na poprawie efektywności uzdatniania gazów odlotowych oraz możliwości odzysku surowcówmineralnych z popiołów.

Ze względu na charakterystykę strumienia osadów ściekowych nie każde rozwiązaniekonstrukcyjne znane np. ze spalarni odpadów komunalnych może być stosowane przy

termicznej utylizacji osadów. W technice unieszkodliwiania osadów ściekowych dominują dwatypy instalacji różniących się sposobem wprowadzenia i przemieszczania się osadu,rozwiązaniem rusztu paleniskowego czy kierunkiem przepływu spalin. Są to:

- piece fluidalne,

- piece półkowe (wielopółkowe).

W niniejszym opracowaniu przedstawiono krótką charakterystykę budowy i działania tych instalacji oraz przeanalizowano technologiczne i ekonomiczne następstwa różnic w icheksploatacji.

1.1.

Piece półkowe

Piec półkowy jest to cylindryczny, wyłożony wewnątrz ognioodporną ceramiką, piec szybowy.W środku pieca umieszczonych jest od 6 do 12 poziomych palenisk oraz trzon do któregoprzymocowane są obrotowe zgarniacze pozwalające na równomierne rozprowadzenie osadu (Rysunek 2). Zgarniacze oraz paleniska uformowane są w sposób zapewniający spiralneprzemieszczanie się osadu – ze zmiennym kierunkiem od i do ścianek pieca.

Zimne powietrze ogrzewane jest podczas przepływu przez trzon pieca. Cały strumień, lubtylko jego część, może zostać zawrócony do najniższego paleniska i zmieszany ze świeżym,

zimnym powietrzem w celu osiągnięcia optymalnej temperatury. Osad spalany jestw środkowej części pieca, w wyniku czego powstaje strumień ciepła oraz gazów odlotowych.Gazy te unoszą się w górę poprzez otwory w paleniskach, w przeciwprądzie doprzemieszczającego się osadu, zanim zostaną odebrane i przesłane do instalacji ichoczyszczania. W trakcie kontaktu z zimnym, wilgotnym osadem na górnych paleniskach gazyspalinowe ochładzają się co uniemożliwia ich dopalenie. Jednocześnie, z osadu na skuteksuszenia uwalniane są lotne związki organiczne, które od razu usuwane są z pieca bezmożliwości wystawienia na temperatury pozwalające na ich spalenie.

Podsumowując, szyb pieca półkowego podzielony jest na trzy strefy:

1 – strefa w górna (strefa suszenia), w której zachodzi odparowanie wody oraz niektórychzwiązków organicznych. Temperatura z tym obszarze wynosi zwykle ok. 430 - 540°C.

2 – strefa środkowa (strefa spalania), w której zachodzi spalanie osadu. Zamontowane w niejsą palniki utrzymujące odpowiednią temperaturę (800 - 930°C).

3 – strefa dolna (strefa chłodzenia), w której powstały popiół chłodzi się poprzez ogrzewanie doprowadzanego do pieca powietrza. Temperatura w tym obszarze wynosi zwykle ok. 170-

200°C.

Ze względu na swoją budowę układ ten jest bardzo wrażliwy na wszelkie zmiany w ilościdoprowadzanego strumienia osadu jak i jego wilgotności. Zmiany te odbijają się


6/18


6 | S t r o n a

niekorzystnie na składzie gazów odlotowych – na skutek obniżenia temperatury w strefiesuszenia zwiększa się stężenie monotlenku węgla (CO) oraz węglowodorów (THC – totalhydrocarbons). Jeżeli zastosowany w układzie system oczyszczania gazów odlotowych nie mamożliwości szybkiej reakcji na zmiany składu spalin, eksploatacja spalarni jako całości jestbardzo utrudniona. Ponadto, niektóre źródła donoszą, że wzrost temperatury w górnej strefiesuszenia powoduje wzrost stężenia tlenków azotu (NOx).

Rysunek 2 Schemat pieca półkowego

1.2. Piece fluidalne

Fluidyzacja, czyli proces dwufazowy polegający na doprowadzeniu sypkiego materiału dostanu pseudopłynnego, charakteryzuje się bardzo intensywną wymianą ciepła i masy orazdużą powierzchnią kontaktu faz. Powszechnie stosowany w spalarniach osadów ściekowychpiec fluidalny jest zazwyczaj cylindrycznym, wyłożonym wewnątrz ognioodporną powłokąceramiczną piecem szybowym (Rysunek 3). Brak ruchomych elementów wewnątrz piecausprawnia jego eksploatację i minimalizuje niebezpieczeństwo awarii skutkującejkoniecznością rozebrania urządzenia.

W piecu fluidalnym wydzielić można 4 sekcje:

1 – komora podsitowa znajdująca się poniżej dna sitowego działa jako komora rozprężna,

w której powietrze jest podgrzewane do temperatury ok. 680°C a następnie ujmowane dokomory spalania;

PALNIK

SZCZOTKA OBROTOWA

GAZY

ODLOTOWE

OSAD

POPIÓŁ

WAŁ OBROTOWY


7/18


7 | S t r o n a

2 – dno sitowe, w którym umieszczone są dysze umożliwiające równomierne rozprowadzeniegorącego powietrza w kierunku złoża fluidalnego. Pełni ono również funkcję podtrzymującązłoże fluidalne;

3 – komora spalania, w której znajduje się złoże mineralne (zazwyczaj piasek) będące

nośnikiem podawanej do pieca biomasy. Strumień doprowadzanego powietrza wprowadzazłoże w stan fluidalny, gdy prędkość jego przepływu zrówna się z prędkością swobodnegoopadania ziaren piasku. Bardzo intensywne mieszanie złoża z gorącym powietrzem skutkujegwałtownym spalaniem się biomasy (czas przetrzymania osadu w piecu fluidalnym wynositylko 3-5 min).

4 – komora dopalania, czyli wolna przestrzeń nad złożem, w której dochodzi do dopalenialotnych substancji organicznych. Jej wysokość jest zależna od wymaganego czasuprzetrzymania gazów spalinowych. Temperatura w komorze dopalania, ze względu nautlenianie lotnych węglowodorów jest zwykle 50 - 100°C wyższa niż w złożu. Popiół

produkowany w piecach fluidalnych, na skutek ścierania się ziaren piasku jest bardzo drobny,więc jego większość jest unoszona wraz z gazami odlotowymi. Z tego też względunajważniejszym etapem oczyszczania spalin jest ich odpylenie (najczęściej przy użyciuelektrofiltru lub mokrego skrubera).

Rysunek 3 Schemat pieca fluidalnego

OSAD

PALNIK ZAPŁONOWY

GAZY

ODLOTOWE

TERMOPARALANCA NA OLEJ OPAŁOWY

ZAWÓR CIŚNIENIOWY

POWIETRZE

WLOT NOŚNIKA

MINERALNEGO


8/18


8 | S t r o n a

Tabela 1 Główne różnice w eksploatacji pieca półkowego i fluidalnego

lp. Parametry Piec półkowy Piec fluidalny

1 Rodzaj przepływu przeciwprądowy intensywne wymieszanie

w warstwie fluidalnej

2 Transfer ciepła słaby Wysoki

3 Czas przetrzymania osadu 0,5 – 3 h 1 – 5 min

4Czas przetrzymania gazów spalinowych

w wysokiej temperaturze1 - 2 s 6 - 8 s

5 Temperatura spalania 800 - 980°C 760 - 800°C

6 Temperatura gazów odlotowych 430 - 540°C 800 - 870°C

7 Wymagany nadmiar powietrza 75 - 100% 40%

2. Konsekwencje podstawowych różnic w budowie

Różnice pomiędzy piecem fluidalnym oraz półkowym wynikające z ich budowy oraz działaniawskazują na przewagę systemów ze złożem fluidalnym. Główne zalety pieców fluidalnych sąprzedstawione w poniżej.

Niższa emisja tlenów azotu

Mniejsza emisja tlenków azotu pochodzących zarówno z azotu atmosferycznego jak i azotu

z paliwa jest związana z niższą temperaturą w złożu fluidalnym, mniejszą ilościąnadmiarowego powietrza oraz częstotliwości wykorzystania palników.

Betzler i in. (1996) wykazał spadek sumarycznej emisji tlenków azotu z 65.2 t/a do 2.4 t/a pozamianie pieca półkowego na fluidalny przy jednoczesnym zwiększeniu przepustowościukładu o 50%.

Niższa emisja monotlenku węgla oraz lotnych węglowodorów

Emisja CO i THC uzależniona jest od temperatury spalania, ilości dostępnego tlenu,intensywności mieszania oraz czasu przetrzymania gazów spalinowych. W piecach fluidalnych,

dzięki dłuższemu przetrzymaniu gazów w układzie oraz jednorodnej w całym złożutemperaturze, pomimo niższej temperatury spalania i mniejszej ilości nadmiaru powietrza,sumaryczna produkcja tlenku węgla i lotnych węglowodorów jest mniejsza.

Betzler i in. (1996) w oczyszczalni ścieków Wyoming Valley zanotowali znaczącą redukcjęsumarycznej emisji lotnych węglowodorów (z 13t/a na 0.2 t/a) po zamianie pieca półkowego na fluidalny i jednoczesnym zwiększeniu przepustowości instalacji. WedługWhite’a i in. (1999) w oczyszczalni Osborne emisja THC zmalała 8-krotnie po wymianie piecapółkowego na fluidalny.


9/18


9 | S t r o n a

Odpowiedni do okresowej eksploatacji

Okresowa eksploatacja, powodu jąca częste wygaszanie oraz ponowny rozruch pieca jestznacznie prostsza przy piecach fluidalnych. Znajdujące się w nich złoże mineralne pełnifunkcję masy termicznej akumulującej energię cieplną. Wyłączenie pieca fluidalnego wiąże się

więc z bardzo powolny spadek temperatury – rzędu 10°C/h. Pozwala to na bardzo szybkiponowny rozruch po jednodniowym lub weekendowym wyłączeniu z eksploatacji. Dlaporównania, piece półkowe studzą się bardzo szybko, a ich rozruch wymaga więcej czasuoraz zużywa więcej dodatkowego paliwa. Sapienza i in. (1994) obliczyli, że całkowity okreseksploatacji pieca półkowego był w prawie 30% poświęcony na wyłączenia oraz ponowne

jego rozruchy.

Prostsze sterowanie i automatyzacja procesu

Wynikająca z intensywnego wymieszania faz w złożu fluidalnym jednorodność temperaturyw całej jego objętości jest jedynym podstawowym parametrem kontroli procesu. Sterowanie

całym procesem w przypadku zminimalizowania liczby niezależnych parametrów jest znacznieprostsze. Dla porównania, w przypadku pieców półkowych konieczność utrzymaniaodpowiednich warunków w trzech strefach, pomiędzy którymi występują zawiłe zależnościrodzi dużo komplikacji.

Odporność na zmiany w doprowadzanym osadzie

Ani piece fluidalne ani półkowe nie są przystosowane do spalania osadu o małymrozdrobnieniu. W zdefiniowanym dla obu rozwiązań optymalnym zakresie średnicy cząstekosadu to piec fluidalny ma lepszą zdolność utrzymania sprawnego procesu spalania przy

zmianach właściwości chemicznych, wilgotności, zawartości lotnych związków organicznychi wynikającej z tych parametrów wartości opałowej. Dzieje się tak głównie ze względu na dużąilość energii cieplnej zmagazynowanej w złożu fluidalnym, w którym dostarczany osad matylko ok. 1% udziału. W piecach półkowych, ze względu na długi czas przetrzymania osaduoraz istnienie trzech stref pełniących w procesie spalania zupełnie inne funkcje , takie zmianyw jakości doprowadzanego osadu są dużą przeszkodą w utrzymaniu stabilnego procesu.

Mniejsze zużycie dodatkowego paliwa

Mniejsze zapotrzebowanie na dodatkowe paliwo wynika głównie z wymaganej mniejszejilości nadmiaru powietrza oraz możliwości zastosowania odzysku ciepła. Podgrzewanie

powietrza w komorze podsitowej do 680°C z wykorzystaniem wymiennika ciepła do odzyskuciepła z gazów odlotowych pozwala na osiągnięcie autotermicznego spalania w większościaplikacji. White i in. (1999) podali, że w oczyszczalni ścieków w Osbourne średni kosztdodatkowego oleju opałowego w przeliczeniu na tonę suchej masy osadu zmalał ponaddwukrotnie po wymianie pieca półkowego na fluidalny.

Mniejsze koszty eksploatacji

Piece fluidalne charakteryzują się mniejszymi kosztami eksploatacyjnymi ze względu na brakruchomych części, dłuższy czas użytkowania oraz brak rutynowych przerw technicznychprzeznaczonych na odżużlanie (Matthews i in. (2009)).


10/18


10 | S t r o n a

Dłuższy czas użytkowania jest m.in. wynikiem braków nagłych zmian temperatury w złożufluidalnym – szok temperaturowy jest jednym z głównych przyczyn pękania powłokwyścielających wnętrze pieca. Charakterystyka pracy pieców półkowych wiąże się z lokalnymi,nagłymi wahaniami temperatury, które znacznie zmniejszają wytrzymałość powłokiogniotrwałej. Ponadto lokalne zmiany temperatury skutkują powstawaniem złogów żużla,

którego usunięcie wymaga regularnego wyłączenia pieca z eksploatacji. W przypadkuprzywołanej powyżej oczyszczalni w Osbourne (White i in. (1999)) przerwy technicznespowodowane koniecznością odżużlania występowały raz w miesiącu.

W strefie spalania pieca fluidalnego nie znajdują się, żadne ruchome części – intensywnemieszanie osadu jest uzyskiwane dzięki hydrodynamice złoża. Szczotki obrotowewymuszające ruch osadu w piecach półkowych wymagają regularnej wymiany ze względu naścieranie się zgrzebeł.

Mniejszy system oczyszczania gazów odlotowych

Mniejsze zapotrzebowanie na nadmiar stechiometryczny powietrza przy spalaniu w piecach

fluidalnych skutkuje mniejszym strumieniem gazów odlotowych. Mniejsza przepustowośćinstalacji do oczyszczania gazów odlotowych wiąże się nie tylko z mniejszymi kosztamiinwestycyjnymi, ale również mniejszym kosztami eksploatacyjnymi na które składają sięm.in. koszty substancji chemicznych wykorzystywanych do usunięcia takich zanieczyszczeń jak tlenki azotu przez wtrysk wody amoniakalnej do pieca, tlenków węgla przez wtrysk zawiesinwodorotlenku lub węglanu wapnia stosowanych w skruberza – metoda mokra lub wmetodzie suchej. W końcowej fazie układu oczyszczania zastosowanie złoża z węglemaktywnym dla usunięcia dioksyn i furanów oraz niektórych metali ciężkich. W nowychinstalacjach przez wprowadzeniem gazów wylotowych do komina stosuje się filtr tkaninowy.

Zaletami spalarni z piecami półkowymi są natomiast:

Mniejsze zapotrzebowanie na energię elektryczną

Ze względu na duże opory hydrauliczne złoża fluidalnego, wymagana moc urządzeniatłoczącego powietrze do pieca fluidalnego jest większa niż w analogicznym piecu półkowymmimo mniejszego zapotrzebowania na powietrze.

Mniejsze zapylenie gazów odlotowych

Charakterystyka przemieszczania się strumieni osadu oraz powietrza w przestrzeni piecapółkowego skutkuje gromadzeniem się zdecydowanej większości popiołu w dole komoryspalania skąd może być w prosty sposób ciągle usuwany. Tylko mała część powstającegopopiołu porywana jest ze strumieniem powietrza co znacznie ułatwia jest późniejszeoczyszczenie przed odprowadzeniem do atmosfery.

Mniejsze koszty utylizacji popiołów

Mniejsze koszty utylizacji popiołów pochodzących z pieców półkowych wynikają głównie zestosunku popiołu usuwanego z dołu komory do cząstek popiołu porywanych ze strumieniemgazów odlotowych. Popiół denny (ang. bottom ash) jest suchy i tańszy w utylizacji niż

strumień zanieczyszczeń stałych, które są usuwane z gazów odlotowych najczęściej metodamimokrymi np. skurberem. W piecach fluidalnych większość produkowanego popiołu jest


11/18


11 | S t r o n a

odprowadzana z urządzenia wraz z gazami odlotowymi tak więc w tej technologii do utylizacjizostaje skierowany znacznie większy strumień mokrych popiołów lotnych wychwyconych winstalacji oczyszczania gazów wylotowych.

Brak konieczności stosowania nośnika mineralnego

Ze względu na burzliwy charakter przepływu w złożu fluidalnym, systematycznie następujezużywanie się (ścieranie, rozpadanie się, elutriacja) mineralnego nośnika osadu jakimnajczęściej jest piasek. Konieczność jego uzupełniania zwiększa koszty eksploatacyjne złożafluidalnego – koszt ten nie występuje przy użytkowaniu pieców półkowych.

3. Możliwości modyfikacji pieców półkowych

W związku z zaostrzeniem wymogów prawnych dotyczących jakości gazów odlotowychniektóre oczyszczalnie posiadające piece półkowe decydują się na zmianę technologii naspalanie w złożu fluidalnym. Chcąc jednak ograniczyć wysokie koszty związane z budowącałkiem nowego systemu ze złożem fluidalnym można pozostać przy istniejącym rozwiązaniupoddając go pewnej modyfikacji pozwalające j na poprawę jakości gazów odlotowych:

„zerowa” półka dopalająca dopalacz zewnętrzny dopalacz regeneracyjny

instalacja regeneracyjnego utleniania chemicznego

Zmiany te umożliwiają dopalenie węglowodorów oraz monotlenku węgla obecnych w gazachodlotowych na skutek wychłodzenia strumienia powietrza w górnej strefie komory spalania.

„Zerowa” półka dopalająca

Rozwiązanie to polega na zamontowaniu palnika dopalającego gazy odlotowe w przestrzeninajwyższej półki oraz zmiany poziomu zasilania strumieniem osadu na kolejną półkę(Rysunek 4). Modyfikacja ta wiąże się z koniecznością dostosowania istniejącej instalacjiuzdatniania gazów odlotowych do obróbki strumienia o wyższych temperaturach.

Podkreślić należy, że wprowadzając taką zmianę trzeba liczyć się ze zmniejszeniempojemności użytkowej komory spalania. Tak więc przeprowadzenie odpowiednich obliczeńtechnologicznych jest konieczne, aby sprawdzić czy w danym układzie wprowadzenie półki

dopalającej nie wpłynie niekorzystnie na pracę węzła gospodarki osadowej.


12/18


12 | S t r o n a

Rysunek 4 Schemat strefy suszenia pieca półkowego z "zerową" półką dopalającą

Dopalacz zewnętrzny

Dopalaczem zewnętrznym jest nazywana komora spalania montowana na wylocie gazówodlotowych, całkowicie poza szybem pieca półkowego. Jest ona podgrzewana zwykle do815°C co eliminuje problem nadmiaru węglowodorów oraz monotlenku węgla jednakkosztem zwiększonego zapotrzebowania na dodatkowe paliwo, większy strumień gazówodlotowych oraz dodatkową syntezę tlenków azotu NOx.

W poniższej tabeli przedstawione jest zestawienie zapotrzebowania na dodatkowe paliwooraz wielkość strumienia gazów odlotowych pieca fluidalnego oraz pieca półkowego o takiejsamej wydajności z zewnętrzną komorą dopalającą.

Tabela 2 Parametry pracy pieca fluidalnego oraz półkowego z zewnętrzną komorą dopalania

lp. Parametry Piec półkowy Piec fluidalny

1 Wydajność pieca (t s.m./h) 2 2

2 Strumień powietrza do spalania (kg/h) 29 000

(21 700 do szybu pieca, 7 300 do

komory dopalania)

14 600

3 Temperatura gazów odlotowych (°C) 815

(480 na wylocie z pieca)815

4 Dodatkowe paliwo (kg/h)530

(30 do pieca, 500 do komory

dopalania)

0

5 Strumień gazów odlotowych (kg/h) 36 500

(28 700 na wylocie z pieca)21 600

Dopalacz regeneracyjny/ Instalacja regeneracyjnego utleniania chemicznego

W celu zmniejszenia kosztów dodatkowego paliwa wykorzystywanego do dopalenia gazówodlotowych z pieca stosowane są instalacje regeneracyjnego utleniania termicznego, czyli

PALNIK DOPALAJĄCY

SZCZOTKA OBROTOWA

GAZY

ODLOTOWE

OSAD


13/18


13 | S t r o n a

dopalanie w komorze zewnętrznej z odzyskiem ciepła. Układy takie działają na zasadzieodzysku ciepła za pośrednictwem złoża ceramicznego podzielonego na kilka komór(Rysunek 5).

Rysunek 5 Schemat instalacji regeneracyjnego utleniania termicznego RTO

(1) – wlot gazów odlotowych z pieca; (2) – system klap talerzowych; (3) – komora dopalacza RTO, komora spalania;

(4) – palnik gazowy; (5) – wypełnienie ceramiczne; (6) – wentylator powietrza; (7) – komin; (8) – izolacja termicznaGazy odlotowe poprzez system klap talerzowych trafiają do poszczególnych komór, gdzieprzepływając przez wypełnienie ceramiczne odbiera ciepło nagromadzone w poprzednimcyklu. Kiedy strumień dociera do komory spalania, miesza się z gorącymi gazami a palnikipomagają utrzymać wymaganą temperaturę utleniania. Uzdatnione powietrze przechodziprzez komorę wylotową oddając dużą część energii cieplnej z powrotem do złożaceramicznego, a następnie jest odprowadzane kominem do atmosfery lub do kolejnychetapów oczyszczania.

Porównując parametry eksploatacyjne pieca półkowego z systemem RTO oraz pieca

fluidalnego należy rozpatrzeć 3 aspekty: zużycie paliwa, emisję zanieczyszczeń gazowych orazpracochłonność utrzymania ruchu.

1) Zużycie paliwa – stosowany w układach RTO odzysk ciepła znacząco zmniejszazapotrzebowanie na dodatkowe paliwo w porównaniu z klasyczną zewnętrzną komorądopalania. Według Chilson’a i in. (1994) zużycie dodatkowego paliwa spadło o 90% pozainstalowaniu układu regeneracyjnego utleniania termicznego. Jednak większość piecówfluidalnych zasilanych typowym podsuszonym osadem ściekowych prowadzą spalanieautotermiczne, czyli bez potrzeby stosowania dodatkowego paliwa.

2) Pracochłonność utrzymania w ruchu – zgodnie z referatem Topley’a (1998) roczny okrespostoju instalacji RTO spowodowany koniecznością prowadzenia prac konserwacyjnychwynosi ponad 100 dni. Zmienna funkcja komór pozwala na minimalizację zużycia


14/18


14 | S t r o n a

dodatkowego paliwa jednak jednocześnie ten rodzaj pracy może powodowaćkondensowanie się kwaśnych gazów w „zimnej” fazie pracy komory co przyśpiesza korozjęwszelkich stalowych elementów. Rozkład termiczny substancji organicznych w strumieniugazu (krakowanie) skutkuje osadzaniem się sadzy w przestrzeniach złoża ceramicznegozmniejszając jego pojemność cieplną.

3)

Emisja zanieczyszczeń gazowych – zainstalowanie w układach oczyszczania gazówodlotowych z pieców półkowych układów RTO niewątpliwie zmniejsza emisjęwęglowodorów oraz monotlenku węgla, według Chilson’a i in. (1994) nawet o 95%. Niezarejestrowano poprawy w jakości gazów odlotowych w aspekcie stężenia tlenków azotu.Dodatkowo, jeżeli paliwo stosowane do dopalania zawiera siarkę i układ RTO jestzlokalizowany na końcu instalacji uzdatniania gazów odlotowych to powstający tleneksiarki SO2 jest emitowany do atmosfery.

Poniższa tabela przedstawia zestawienie emisji zanieczyszczeń poszczególnychzanieczyszczeń gazowych emitowanych z dwóch przykładowych instalacji – piecafluidalnego oraz pieca półkowego z układem regeneracyjnego utleniania chemicznego.Jak widać, pomimo zainstalowania układu do dopalania zanieczyszczeń organicznych,eksploatacja pieców półkowych wiąże się ze znacznie większym zanieczyszczaniematmosfery.

Tabela 3 Porównanie emisji zanieczyszczeń gazowych z pieca fluidalnego i pieca półkowego z układem RTO

lp. Zanieczyszczenie

Piec fluidalny (PF)

Oczyszczalnia

Bayshore

Piec półkowy (PP) + RTO

Oczyszczalnia Hatfiels

Township

Współczynnik

emisji (PP/PF)

1 CO (kg/t s.m.) 0,05 0,73 160

2 TCH (kg/t s.m.) 0,01 0,05 6

3NOX jako NO2

(kg/t s.m.)0,44 2,84 6,5

4 SO2 (kg/t s.m.) 0,61 4,10 6,72

4. Dokument referencyjny BAT

Komisja Europejska zgodnie z dyrektywą IPPC w sprawie zintegrowanego zapobiegania izmniejszania zanieczyszczeń tworzy standardy BAT (Best Available Techniques ) służące dookreślania wielkości emisji zanieczyszczeń dla instalacji podlegających ww. dyrektywie. BAT są

zdefiniowane w dyrektywie jako uznane techniki/technologie o najwyższej skuteczności zpunktu widzenia możliwości zapewnienia wysokiego poziomu ochrony środowiska, którychwdrożenie w danym sektorze jest wykonalne z ekonomicznego i technicznego punktuwidzenia przy uwzględnieniu kosztów i korzyści jako całości.

Aktualny dokument referencyjny (BREF – Best Available Techniques Reference Document )

dotyczący spalania odpadów został opracowany w 2006 roku. Przedstawione są w nim: - ogólne informacje w sprawie spalania odpadów; - charakterystyka poszczególnych strumieni odpadów;- przegląd stosowanych technik spalania odpadów oraz oczyszczania gazów odlotowych;

- aspekty wzięte pod uwagę podczas określania najlepszych dostępnych technik;


15/18


15 | S t r o n a

- lista BAT z podziałem na ogólne zasady dla wszystkich typów odpadów oraz ichszczególnych rodzajów.Prócz ogólnych standardów dla wszystkich typów odpadów dla osadów ściekowychsformułowano dodatkowe dwie najlepsze techniki:

„1) W instalacjach, które są przeznaczone przede wszystkim do spalania osadówściekowych za BAT zwykle uważa się stosowanie technologii złoża

fluidalnego , ponieważ im wyższa jest wydajność spalania, tym, zwykle, mniej

spalin jest wytwarzanych przez układ. Może jednak występować ryzyko

zapychania złoża niektórymi składnikami osadów ściekowych .

2) Suszenie osadów ściekowych, najlepiej przy pomocy ciepła odzyskanego ze

spalania, w stopniu który spowodowałby, że stosowanie dodatkowych paliw

byłoby zbędne dla normalnego funkcjonowania insta lacji (w tym przypadku

normalne funkcjonowanie nie obejmuje rozruchu, wygaszania oraz

sporadycznego używania paliw dodatkowych wspierających podtrzymywanie

temperatury spalania.”

Obecnie trwa proces aktualizacji dokumentu przez wewnętrzny serwis naukowy KomisjiEuropejskiej - Wspólne Centrum Badawcze (Joint Research Centre). Biuro ZintegrowanegoZapobiegania Zanieczyszczeniom i ich Kontroli (IPPC) koordynuje wymianę informacjipomiędzy członkami TWG (Technical Working Group) czyli członkami Unii, przemysłem,organizacjami pozarządowymi zajmującymi się ochroną środowiska oraz Komisji Europejskiej. Prace rozpoczęły się w maju 2014 roku i wciągu 6 lat mają zakończyć się publikacją zaktualizowanego dokumentu BAT. Działania TWG zostały podzielone na kilka etapów:

- określenie zakresu aktualizacji BAT na podstawie propozycji członków TWG; - przygotowanie kwestionariuszy i zebranie danych z poprawnie pracujących instalacji(pracujących na terenie Unii Europejskiej oraz poza jej granicami) - określenie parametrów kluczowych dla wyznaczenia standardów BAT oraz towarzyszących poziomów efektywności środowiskowej związanych z efektywnością energetyczną iodzyskiem energii

- określenie parametrów kluczowych dla wyznaczenia standardów BAT oraz poziomówefektywności środowiskowej związanych z zagospodarowaniem strumieni odpadowych(głównie popiołów oraz gazów odlotowych).Zgodnie z przedstawionym harmonogramem projekt zaktualizowanego standardu BAT

zostanie opublikowany na stronie internetowej IPPC w grudniu 2016. Z dostępnych nastronach internetowych IPPC materiałów z pierwszego spotkania TWG w kwietniu 2015 wynika, że ewentualne zmiany w treści BAT będą dotyczyły głównie: - uwzględnianiu przy zbieraniu danych pracujących instalacji wykorzystujących pirolizę,gazyfikację oraz proces plazmowy;- uwzględnienia instalacji współspalania odpadów; - przegląd najlepszych technik przygotowywania strumieni do spalenia - przegląd technologii uzdatniania i utylizacji strumieni odpadowych (popiołów oraz gazówodlotowych). Podkreślono konieczność uwzględnienia technik odzysku surowców z popiołów,w aspekcie osadów ściekowych głównie fosforu.


16/18


16 | S t r o n a

5. Spalarnie osadów ściekowych w Polsce

W Polsce pracuje obecnie 5 spalarni w dużych oczyszczalniach ścieków – RLM powyżej500 000 (Warszawa, Kraków, Łódź, Gdańsk, Szczecin) oraz 6 w obiektach o mniejszejprzepustowości. W większości oczyszczalni (63%) oraz we wszystkich nowych lubzmodernizowanych obiektach pracują piece fluidalne. Zestawienie informacji dotyczącychstosowanej technologii suszenia oraz spalania w polskich oczyszczalniach znajduje się zponiższej tabeli.

Tabela 4 Monospalarnie osadów ściekowych w Polsce

lp. Oczyszczalnia Miasto RLM Palenisko Uwagi

1

Oczyszczalnia

Ścieków„Czajka”

Warszawa 2 100 000piec

fluidalny

podsuszanie osadu odwodnionego (do

32%sm w suszarce dyskowej) i spalenie w

piecu ze złożem fluidalnym Pyrofluid

2

Oczyszczalnia

Ścieków„Pomorzany”

Szczecin 417 000+ 177 000 piecrusztowy

osad w dwóch oczyszczalni „Pomorzany” i„Zdroje” jest suszony w suszarkach

taśmowych dwustopniowych Biocon anastępnie spalany w dwóch piecachrusztowych

3

Oczyszczalnia

Ścieków„Płaszów II”

Kraków 780 000piec

fluidalny

podsuszenie osadu odwodnionego w

suszarce dyskowej Haarslev; spalenie w piecu

ze złożem fluidalnym Pyrofluid

4

Grupowa

Oczyszczalnia

Ścieków„Dębogórze”

Gdynia 420 000piec

fluidalny

suszenie osadu odwodnionego w obrotowej

suszarce bębnowej za pomocą parypodgrzanej; spalenie w piecu fluidalnym z

narzutnikiem osadu

5

Oczyszczalnia

Ścieków

„GdańskWschód”

Gdańsk 860 000piec

fluidalny

podsuszenie na suszarce dyskowej osad

trafia do pieca ze złożem fluidalnym

6

Oczyszczalnia

Ścieków„Fordon”

Bydgoszcz 270 000piec

fluidalny

Spalane są osady również z oczyszczalni„Kapuściska”. Osad jest podsuszany do33%sm. a następnie spalany w piecu zezłożem fluidalnym

7Oczyszczalnia

Ścieków „Łyna” Olsztyn 270 000

piec

rusztowy

osad jest podsuszany w suszarce bębnowej

8

Oczyszczalnia

Ścieków wŁomży

Łomża 150 000piec

rusztowy-

9

Oczyszczalnia

Ścieków „Łącza”

Zielona

Góra 195 000

piec

rusztowy

podsuszenie osadu w suszarce bębnowej;

piec z rusztem ruchomym

10

Oczyszczalnia

Ścieków„Sitkówka-Nowiny”

Kielce 275 000piec

fluidalny

podsuszenie osadu w suszarce bębnowej anastępnie spalenie w piecu ze złożemfluidalnym Thermilys

11

Grupowa

Oczyszczalnia

Ścieków w Łodzi Łódź 1 000 000

piec

fluidalny

podsuszenie osadu do 30-32%sm w

suszarkach talerzowych przed dawkowaniem

do pieca fluidalnego


17/18


17 | S t r o n a

6. Podsumowanie

Piece półkowe, jedne z pierwszych rozwiązań stosowanych w spalarniach osadówściekowych (pierwszy piec półkowy zainstalowano w 1935r. w Dearborn w stanieMichigan USA), obecnie są praktycznie niespotykane w swojej podstawowej formie zewzględu na zaostrzenie się przepisów dotyczących jakości gazów odlotowych orazrosnących kosztów paliwa.

Studia przypadków (case studies ) opisujące efekty zmiany technologii pieców półkowychna fluidalne podkreślają wielowymiarowe korzyści obejmujące zmniejszenie kosztóweksploatacyjnych układu spalania oraz poprawę jakości gazów odlotowych.

Dokument referencyjny Komisji Europejskiej wskazuje piece fluidalne jako BAT (Best

Available Technique ) dla spalania osadów ściekowych.

7.

LiteraturaBetzler, R., Motsko, P., Mullen, J. (1996) Biosolids Incineration Using Fluid Bed Technology

referat wygłoszony na WEFTEC Annual Meeting, USA

Bień, J. (2012) Z agospodarowanie komunalnych osadów ściekowych metodami termicznymi ,Inżynieria Środowiska 2012, vol. 15, nr 4, str. 439-449

Chilson, S., Crocco, J., Domey, P., Baturay, A. (1994) Hatfield Targets 20% of EPA 503

Regulations at 85% Fuel Savings referat przedstawiony na WETFEC Annual Meeting, USA

Cusano, G. (2015 ) Review of the Best Available Techniques (BAT) Reference Document (BREF)

for Waste Incineration. Current Status and Trends . Prezentacja Integrated PollutionPrevention and Control Bureau z European Joint Research Centre

Dangtran, K. (marzec 2000) A Comparison of Fluid Bed and Multiple Hearth Biosolids

Incineration referat przedstawiony na Annual Residuals & Sludge Management Conference,

Boston

Matthews M., Herbick, R., Dangtran, K. (2009) Replacement of the multiple Hearth Furnances

by the Fluid Bed Furnances – The R.L. Sutton WRF Experience referat przedstawiony na

Residuals and Biosolids Conference, USA

Wang, L.K., Shammas, N.K., Hung, Y.T. (2008) Handbook of Environmentak Engineering,Volume 7: Biosolids Engineering and Management , USA

Sapienza, F., Curro, J. I Gaudes, R. (1994) Sewage Incineration at the Manchester, New

Hampshire Water Pollution Control Facility refereat przedstawiony na 16th National Waste

Processing Conference, USA

Scisson, J., Heitz, M. (1995) You Can Have Your Cake and Eat It, Too – Complying with NOx

and THC Limits with a Multiple Hearth Incinerator referat przedstawiony na Joint

WEF & AWWA Conference, USA


18/18


18 | S t r o n a

Topley, D. (1998) Comparison of thermal Treatment Technologies for VOC Control referat

przedstawiony na International Conference on Incineration and Thermal Treatment

Technologies, USA

Wang, L., Shammas, N. i Hung, Y., Biosolids Engineering and Management , Springer 2009

White, A., Mayrose, D. i Mullen, J. (1999) Replacement of a multiple Hearth by a Fluid Bed

Incinerator. The Greensboro Case History referat przedstawiony na International Conference

on Incineration and Thermal Treatment Technologies, USA

8. SPIS ILUSTRACJIRYSUNEK 1 SCHEMAT PIECA PÓŁKOWEGO ............................................................................................. 6

RYSUNEK 2 SCHEMAT PIECA FLUIDALNEGO............................................................................................ 7

RYSUNEK 3 SCHEMAT STREFY SUSZENIA PIECA PÓŁKOWEGO Z "ZEROWĄ" PÓŁKĄ DOPALAJĄCĄ ....................... 12

RYSUNEK 4 SCHEMAT INSTALACJI REGENERACYJNEGO UTLENIANIA TERMICZNEGO RTO ............................... 13

9. SPIS TABELTABELA 1 GŁÓWNE RÓŻNICE W EKSPLOATACJI PIECA PÓŁKOWEGO I FLUIDALNEGO ........................................ 8

TABELA 2 PARAMETRY PRACY PIECA FLUIDALNEGO ORAZ PÓŁKOWEGO Z ZEWNĘTRZNĄ KOMORĄ DOPALANIA.... 12

TABELA 3 PORÓWNANIE EMISJI ZANIECZYSZCZEŃ GAZOWYCH Z PIECA FLUIDALNEGO I PIECA PÓŁKOWEGO Z

UKŁADEM RTO ...................................................................................................................... 14

TABELA 4 MONOSPALARNIE OSADÓW ŚCIEKOWYCH W POLSCE ............................................................... 16

Documents

Zakres opracowania.pdf