Partner serwisu
11 grudnia 2017

Co z tym osadem?

Kategoria: Artykuły z czasopisma

Co robić z rosnącą z każdym rokiem ilością osadów ściekowych? To wciąż otwarty problem. Perspektywiczną metodą ich zagospodarowania jest termochemiczne przetwarzanie, w którym wykorzystane zostać mogą innowacyjne technologie do pirolizy.

Co z tym osadem?

Produkcja osadów ściekowych na świecie, zwłaszcza z oczyszczalni ścieków komunalnych, rośnie z roku na rok. Szacuje się, że rocznie produkowanych jest od 0,1 do 30 kg/RLM (w USA na jedną osobę przypada 23 kg/r osadów [1]). W Polsce powstaje rocznie ok. 1 mln t s.m. osadów ściekowych.

Termochemiczne przetwarzanie osadów

Jedną z perspektywicznych metod jest termochemiczne przetwarzanie osadów ściekowych. W Krajowym Planie Gospodarki Odpadami przewiduje się, że do 2020 roku ponad 30% osadów ściekowych będzie termicznie zagospodarowanych. W ramach wsparcia projektów celowych POIG 1.4 zrealizowano wspólnie z firmą Metal Expert Sp. z o.o. Sp. J. projekt „Opracowanie innowacyjnej technologii do pirolizy osadów z oczyszczalni ścieków”. Zakończył się on uruchomieniem instalacji mobilnej ze zintegrowaną suszarką i reaktorem do pirolizy osadów ściekowych o wydajności 100 kg/h, która została sprawdzona w oczyszczalni ścieków w Elblągu. Uzyskane wyniki wskazują na potencjalne możliwości wykorzystania sprawdzonych urządzeń do termicznego zagospodarowania osadów przemysłowych.

Generalnie znane są trzy metody termochemicznego przetwarzania osadów ściekowych: piroliza, zgazowanie i spalanie, przy czym ich celem jest głównie odzysk energii zawartej w osadach ściekowych, sięgającej 11,10-22,10 MJ/kg s.m. (średnio 16 MJ/kg) [2].

Spalanie

Najbardziej rozpowszechnioną metodą termicznego przekształcania osadów jest spalanie bądź współspalanie osadów najczęściej w piecach do produkcji cementu. Obecnie w Polsce pracuje 11 monospalarni [3] osadów ściekowych wykorzystujących głównie piece fluidalne, zatem osady muszą być wstępnie podsuszone co najmniej do poziomu 30-40% zawartości wilgoci [4]. Wysoka wilgotność osadów ściekowych stanowi poważny problem we wszystkich procesach termicznego przekształcania osadów ściekowych.

Wartość energii w mokrych osadach (przy średniej zawartości 80% wilgotności) spada z 16 MJ/kg do średnio 4 MJ/kg. Wysoka zawartość wilgoci w osadach nie tylko utrudnia odzysk energii, ale także powoduje wzrost korozyjności (możliwość powstawania H2SO3 w wyniku kontaktu SO2 z H2O). Oprócz emisji SO2, zawarty w osadach azot (w postaci protein) powoduje emisję NOx powstających w atmosferze tlenowej, a to wymaga stosowania specjalnych urządzeń do oczyszczania gazów spalinowych [5].

Piroliza

W przeciwieństwie do spalania, piroliza, która zachodzi w warunkach beztlenowych, nie emituje tylu zanieczyszczeń, w szczególności tlenków azotu, dioksyn i furanów, m.in. ze względu na brak O2 i niższą temperaturę procesu (300-900oC), nie wymaga kosztownych instalacji do oczyszczania spalin. Podczas pirolizy następuje termiczny rozkład wysokocząsteczkowych organicznych związków chemicznych do związków o mniejszej masie cząsteczkowej. Produktami są: palne i niekondensujące gazy (H2, CO, CH4 i lekkie gazowe węglowodory C2H4, C2H6 i C3H8) oraz CO2 i para H2O; ciekłe oleje pirolityczne (zwane też bioolejami), które zawierają smoły, ciekłe węglowodory, kwasy organiczne, wysokocząsteczkowe związki karbonylowe, fenole i inne związki aromatyczne, alifatyczne alkohole oraz stały koks pirolityczny, zwany także biokarbonizatem. Proporcje poszczególnych produktów uzależnione są od warunków prowadzenia procesu pirolizy [6], takich jak: temperatura, czas przebywania, ciśnienie, skład i rozmiary cząstek osadu oraz obecność katalizatorów (metali). Zależnie od czasu przebywania i szybkości ogrzewania, można wyróżnić trzy typy pirolizy [7]:

  • wolną pirolizę (tzw. karbonizację) o czasach przebywania rzędu od kilku do kilkunastu godzin, którą prowadzi się w celu wytwarzania koksu pirolitycznego,
  • szybką pirolizę, przy szybkości ogrzewania od 10 do 20oC/s i czasach przebywania poniżej 2 s, prowadzoną w celu maksymalnej produkcji bioolejów,
  • błyskawiczną pirolizę (flash pyrolysis), o szybkości nagrzewania 1000oC/s i czasie przebywania poniżej 0,5 s, o większej wydajności do 80% wytwarzania olejów pirolitycznych.

Zgazowanie

Zgazowanie, inaczej gazyfikacja, polega na konwersji materiałów węglowych zawartych w osadzie do gazu syntezowego (C + H2O = CO + H2) i popiołu. Sumarycznie jest to proces egzotermiczny prowadzony w wysokiej temperaturze (powyżej 800oC), przy udziale powietrza bądź tlenu poniżej stechiometrycznego stosunku wymaganego do spalania, a także z udziałem pary wodnej lub dwutlenku węgla (tzw. sucha gazyfikacja) bądź ich mieszaniny. Podczas zgazowania zachodzi szereg następczych i równoległych reakcji chemicznych, a niezbędna temperatura jest osiągana w wyniku egzotermicznych reakcji częściowego utleniania produktów pirolizy, która jest wstępnym etapem tego procesu. Reakcje reformingu pomiędzy węglowodorami i parą wodną (CnHm + nH2O = nCO + (n+m/2) H2) przyczyniają się do wzrostu stężenia wodoru, podobnie jak i (CO + H2O = CO2 + H2) reakcja konwersji gazu wodnego. Stężenie tlenku węgla wzrasta w wyniku reakcji Boudouarda (CO2 + C = 2CO). Można powiedzieć, że zgazowanie jest przedłużeniem procesu pirolizy.

Porównanie tych trzech termochemicznych metod przetwarzania osadów ściekowych zostało przeprowadzone metodami oceny czasu życia (LCA) [8] i analizy SWOT [9], przy uwzględnieniu sposobu rozwiązania problemu utylizacji osadów, dojrzałości technologicznej, uwarunkowań legislacyjnych i emisji gazów cieplarnianych. Z tego porównania jednoznacznie wynika przewaga technologii pirolizy i zgazowania nad technologią spalania.

Rys. 1 Idea zintegrowanego procesu suszenia, pirolizy i gazyfikacji osadów ściekowych
 

Cały artykuł został opublikowany w nr 5/2017 dwumiesięcznika "Chemia Przemysłowa".


 

fot. 123rf.com
Nie ma jeszcze komentarzy...
CAPTCHA Image


Zaloguj się do profilu / utwórz profil
ZAMKNIJ X
ZAMKNIJ X
Strona używa plików cookies w celu realizacji usług i zgodnie z Polityką Plików Cookies. OK, AKCEPTUJĘ