CZ2010960A3 - Zpusob prípravy biopaliva na bázi cistírenských kalu a biomasy aerobní fermentací - Google Patents

Abstract

Zpusob prípravy biopaliva s výhrevností 10 000 až 14 000 MJ/kg aerobní fermentací, podle vynálezu spocívá v tom, že se 20 až 60 % hmotn. stabilizovaných odvodnených cistírenských kalu a/nebo separátu digestátu z bioplynových stanic, smísí s nasákavou biomasou vybranou ze skupiny tvorené drevní štepkou, slámou, senem, pilinami a zeleným odpadem. Pocátecní vlhkost této smesi je 55 až 65 % hmotn. a pomer C:N je 1:25 až 35. Proces aerobní fermentace probíhající 3 až 4 týdny v závislosti na klimatických podmínkách je iniciován aerobními mikroorganismy prítomnými v cistírenských kalech a/nebo v separátu digestátu z bioplynové stanice je rízen nucenou aerací. Po dosažení snížení teploty ze 70 .degree.C pod 40 .degree.C a vlhkosti na 35 až 40 % hmotn. je smes pripravena ke spalování.

Description

Způsob přípravy biopaliva na bázi čistírenských kalů a biomasy aerobní fermentací

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu přípravy biopaliva na bázi čistírenských kalů a biomasy s výhřevností 10 000 až 14 000 MJ/kg aerobní fermentací.

Dosavadní stav techniky

Kaly z čistíren odpadních vod představují celosvětové závažný problém pro životní prostředí. Z celkového vyprodukovaného množství kalů v Evropské Unii se podstatná část, asi 40% ukládá na skládky, protože nevyhovuje limitním hodnotám rizikových prvků, 37% se využívá k přímé aplikaci v zemědělství, 15 % se spaluje, 4% se ukládají v jiné formě, 6% se převádělo do moře (zákaz od roku 1999) a pro 2% existují jiné způsoby využití, jako například solidifikace a následné spalování Vzhledem k legislativním úpravám v Evropské Unii, není možné ukládat odpady s vyšším podílem organické složky a nebude možné je využívat pro přímou aplikaci v zemědělství.

Další zpracování nebo likvidace kalů anaerobním nebo aerobním rozkladem, mechanickým odvodňováním nebo spalováním představují až 50% nákladů na čistění komunálních vod.

Dalším problémem je hledání a využití obnovitelných surovin jakožto zdroj energie. Řeší se možnosti spalování a likvidace čistírenských kalů ve směsi s hnědým uhlím či další biomasou. Problémem těchto řešení je vysoký obsah škodlivin v emisích a vysoké provozní náklady. Tyto problémy řeší CZ patent 295342, který spočívá v tom, že se stabilizované čistírenské kaly se smísí s městským zeleným odpadem a s lokálně dostupným biologickým materiálem, který je rostlinného a/nebo živočišného původu, je odpadem a/nebo produktem zemědělství a/nebo průmyslu, přičemž podíl sušiny čistírenských kalů tvoří 20 až 50 % hmotn., vztaženo na sušinu výsledné směsi, rozdrcená a zhomogenizovaná směs se fermentuje 1 až 5 dnů při teplotě do 55 °C, po té se směs suší, směs obsahující 15 až 30 % hmotn. vody se fluidně spaluje.

CZ patent 297578 popisuje přípravu biopaliva z obdobné směsi stabilizovaných čistírenských kalů a ostatních odpadních biologických materiálů. Směs se aerobně fermentuje opět 1 až 5 dnů při teplotě 60 až 70°C a po té se spaluje. Nevýhodou obou procesů je poměrně velká energetická náročnost na vlastní fermentaci, surovinu je třeba před fermentaci rozdrtit, a na dosoušení zhomogenizované zfermentované směsi před spalováním, velká prostorová náročnost fermentační linky, komplikovaná regulace procesu fermentace a s tím spojené energetické ztráty.

Podstata vynálezu

Uvedené nevýhody odstraňuje způsob přípravy biopaliva na bázi čistírenských kalů a biomasy s výhřevností 10 000 až 14 000 MJ/kg aerobní fermentaci, podle vynálezu spočívá v tom, že se 20 až 60 % hmotn. stabilizovaných odvodněných čistírenských kalů a/nebo separátu digestátu z bioplynových stanic, smísí s nasákavou biomasou vybranou ze skupiny tvořené dřevní štěpkou, slámou, senem, pilinami a zeleným odpadem. Počáteční vlhkost této směsi je 55 až 65% hmotn. a poměr C : N je 1: 25 až 35. Proces aerobní fermentace probíhající 3 až 4 týdny v závislosti na klimatických podmínkách je iniciován aerobními mikroorganismy přítomnými v čistírenských kalech a/nebo v separátu digestátu z bioplynové stanice. Směs biomasy se nejméně jednou týdně mechanicky překopává, proces aerobní fermentace probíhá v nejméně třech cyklech, kdy teplota během prvního cyklu dosáhne teploty 70 °C a ke konci týdne klesne, po překopání zakládky směsi biomasy opět teplota stoupne na 55 až 60°C a posléze klesne, po dalším překopání zakládky směsi biomasy dojde ke zvýšení a opětnému poklesu teploty. Celý proces je řízen nucenou aerací, po dosažení snížení teploty pod 40 °C a vlhkosti na 35 až 40 % hmotn. je směs připravena ke spalování.

Stabilizované čistírenské kaly lze mísit s odpadními produkty ze zemědělské výroby, (gastroodpady nebo jatečními odpady, které se musí předtím hygienizovat).

Homogenní směs biomasy se ukládá na zastřešené ploše v pásech o minimální výšce 2 m, přičemž po celé délce pod pásy homogenní směsi biomasy jsou umístěny provzdušňovací kanály pro vhánění nebo odsávání vzduchu skrze pásy biomasy.

Pachové látky unikající z biomasy se s výhodou zachycují na biofiltru, který sestává z náplně vybrané ze skupiny látek, tvořené rašelinou, kompostem , vřesem nebo kůrou.

Směs po aerobní fermentaci se z důvodu objemových před spalováním granuluje.

Směs po aerobní fermentaci lze míchat kvůli zvýšení výhřevnosti s čistou a suchou biomasou, například senem, papírem nebo pilinami.

Pro výrobu biopaliva lze využít běžné bioodpady používané při výrobě kompostů. Autoři vynálezu zjistili, že způsobem aerobní fermentace po dobu 3 týdnů lze bez velké energetické náročnosti snížit obsah vody v nativních rostlinných biomasách až o třetinu. Vhodným iniciátorem aerobní fermentace jsou mikroorganizmy obsažené v čistírenském kalu nebo v separátu digestátu z bioplynové stanice.

Jako výchozí suroviny lze použít seno, slámu a odpad z údržby zelené, tedy materiály, které se vyskytují v dostatečném množství a nelze je samostatně přímo zhodnotit na trhu s odpady. Pro aerobní fermentaci podle vynálezu není nutné tyto suroviny specielně drtit na drobné částice. Vyráběné biopalivo je nejméně ze 70 % tvořeno rostlinným materiálem pocházejícím ze zemědělství a lesnictví.

Technologie aerobní fermentace probíhá na zastřešené ploše v pásových provzdušňovaných a překopávaných zakládkách, podobně jako u běžné výroby kompostů. Proces fermentace se iniciuje aerobními mikroorganismy přítomnými v čistírenských kalech, nebo v separátu digestátu z bioplynové stanice. Proces se řídí nucenou aerací, kdy je do kompostované zakládky vháněn nebo odsáván vzduch pomocí perforovaných, betonových, provzdušňovacích kanálů umístěných po celé délce pod profilem zakládky. Provzdušňovací systém je jádrem aerobní technologie.

Vzhledem ktomu, že během fermentace dochází ke sléhávání zakládky (zanáší se póry, kterými proudí vzduch), je nutné tento systém doplnit o mechanické překopání, které je prováděno v časovém intervalu 1x týdně. Jeho hlavním účelem je provzdušnit zakládku, a tím dosáhnout řízené mikrobiální reakce. Dalším důvodem překopávání je řádné promisení všech použitých substrátů a minimalizace teplotní a vlhkostní nehomogenity - na povrchu a především na dně zakládky, kde je materiál silně ochlazován a fermentace v této části neprobíhá dostatečné intenzivně, díky nižší teplotě, nemusí být také zajištěna dostatečná hygienizace zpracovávané biomasy.

Průměrná doba zrání na ploše je zhruba 21 dni v závislosti na typu kompostovaných materiálů a klimatických podmínek. Optimální počáteční vlhkost vsázky je okolo 60 %, výsledná vlhkost na konci zráni pak 35 až 40 %. Po ukončení překopávání a zráni se zfermentovaná a dosušená biomasa pomoci kolového nakladače expeduje do zastřešeného skladu.

Při výrobě palivové směsi z biologicky aktivních odpadů, je nutné zabezpečit jejich biochemickou stabilizaci. Působením mikroorganismů a za přístupu vzdušného kyslíku dochází k aerobní fermentaci a stabilizaci zakládky. Probíhající termofilní aerobní fermentaci se veškeré patogenní mikroorganizmy usmrtí. Vysoká teplota 60 až 75 °C a doba jejího působení na zakládku určují rychlost fermentace. Intenzivní aerace udržuje vysokou teplotu a urychluje hygienizaci směsi.

Pro snížení obsahu pachových látek se vzduch, který je odsáván z haly a ze dna zakládky biomasy vede přes biofiltr. Jeho úkolem je odstranit organické nečistoty a pachy.. Jako filtrační náplň biofiltru se používá aktivní fermentát (rašelina, kompost, vřes, kůra), který se po ztrátě filtrační schopnosti zpracuje ve fermentační lince.

Řízení, obsluha fermentační linky a celé výrobní haly bývá automatizovaná prostřednictvím řídícího systému (ŘS). ŘS přijímá signály z jednotlivých větších či menších logicky spojených souborů zařízení a monitorování systémů a zpětnou vazbou předává signály k řízeni těchto souborů. Řízení a monitoring jsou prováděny z centrálního velinu nebo pomocí místních ovládacích panelů.

Jednotlivá zařízení jsou vybavena systémem nouzového odstavení a spínače jsou umístěny ve velinu a na strategických místech v celém areálu. Zejména teplota představuje důležitou indikační hodnotu pro optimální průběh aerobní fermentace - kompostování a je podle zákona používána jako důkaz provedené hygienizace biomasy. Při biologickém sušení se používají tyčové teploměry, jež měří teplotu každou hodinu v pěti místech průřezu zakládky. Informace o teplotě se odesílá pomocí rádiového signálu do řídící stanice.

Pro každou zakládku je v závislosti na změřené teplotě regulováno provzdušňování ventilátory, proces fermentace je řízen individuálně. Srdcem řízení procesu je programovatelná jednotka s obslužným panelem pro znázornění parametrů a jejich změnu. S řídící jednotkou je spojena záznamová jednotka, která znázorňuje měřené údaje jednotlivých zakládek. Vždy jsou znázorněny aktuální měřené teploty s jejich minimálními, maximálními a průměrnými hodnotami, které jsou pro kontrolu procesu a jeho řízení důležité. Výstupem záznamové jednotky se tak stává jak v digitální, tak tiskové podobě informace o vstupech do zakládky, průběhu reakce, hodnota výstupu.

Na lince pro úpravu biologického odpadu je technologií aerobního vysoušení vyráběno biopalivo, které splňuje definici výrobku ve smyslu zákona o ochraně ovzduší č. 86/2002 Sb. Ve smyslu vyhlášky č. 482/2005 resp. její novely z 21. 12. 2006 je podle přílohy č. 1 zařazena tato biomasa do skupiny 02 a kategorizována v procesu termické přeměny jako spalováni čisté biomasy.

Získané biopalivo je certifikováno jako využitelné palivo podle přílohy č. 4 nařízení vlády 146/2007 Sb., kterým se stanoví emisní limity a další podmínky provozováni spalovacích stacionárních zdrojů znečištěni ovzduší. Emisní limity spalovacích zařízení na biomasu, a to pro kapacitu 0,2 až 50 MW jsou stanoveny za normativních stavových podmínek (pro suchý plyn, vztažené k referenčními obsahu kyslíku 11%). Tyto limity jsou pro SO₂ stanoveny na 2 500 mg/m3, pro oxid dusíku jako ΝΟχ na hodnotu 650 mg/m3, pro tuhé znečišťující látky je limit 250 mg/m3 a pro oxid uhelnatý (CO) 650 mg/m3.

Vyrobené biopalivo může být spalováno v režimu spalování nebo spoluspalování biopaliva na středním nebo velkém zdroji znečistění.

Zbytky po spálení lze dále využít jako hnojivo např. aplikované s kejdou nebo fugátem z bioplynových stanic přímo na pole ve vhodném poměru běžnou zemědělskou technikou.

Příklady provedení

Biopalivo připravené podle vynálezu biologickým sušením bylo připraveno smícháním 24 t čistírenských kalů, 4 t sena a 2 t odpad z úprav zeleně. Pokus proběhl v kooperaci s výrobcem provzdušňovacího systému. I za nepříznivých rámcových podmínek (pokus proběhl v říjnu) se během tří týdnů zrání snížil obsah vody z původních 20,2 tun ve vstupní směsi na méně než jednu čtvrtinu - 4,6 tun. Z energetického hlediska byla původně nepříznivá energetická bilance (čistírenské kaly bez vnějšího přísunu energie nehoří) díky biologickému dosoušeni positivní. Výhřevnost výsledného produktu se pohybuje okolo 12 000 kJ/kg, na úrovni horšího hnědého uhlí. Optimistické byly i výsledky spotřeby energie pro ventilaci a překopávání.

Řešení podle vynálezu je zajímavé zejména pro oblasti s vysokou produkcí sena, například horské oblasti. U 10 956 tun směsi sena , zelených odpadů, lesní štěpky a čistírenských kalů s vlhkostí 60,1 % lze po 3 týdnech aerobní fermentací snížit obsah vlhkosti na 44%. Získané biopalivo v množství 5 424 tun lze mísit s 8 500 tunami sena, štěpky a papíru, čímž se získá roční energetický obsah v palivu na úrovni 157 TJ, což prezentuje téměř poloviční potřebu výroby tepla v systému CZT pro zásobováni okresního města.

Přepracování zejména tzv. mokré biomasy na biopalivo představuje zajímavou možnost pro překlenutí nezájmu trhu o kompost. Rovněž se jedná o rozumnou cestu, jak ekonomicky zhodnotit na trhu čistírenské kaly z důvodu zákazu jejich skládkování. Rovněž tak se jedná o regionální získávání biopaliva v prostředí stále se zužujícího trhu se štěpkou.

Průmyslové využití

Způsob podle vynálezu lze využit k energeticky nenáročnému dosoušení a přeměny biomasy s vysokým obsahem vlhkosti na biopalivo .na úrovni běžně spalované tzv. hnědé štěpky nebo horšího hnědého uhlí.

Claims (6)

1. Patentové nároky

   1. Způsob přípravy biopaliva na bázi čistírenských kalů a biomasy s výhřevností 10 000 až 14 000 MJ/kg aerobní fermentací, vyznačující se tím, že se 20 až 60 % hmotn. stabilizovaných odvodněných čistírenských kalů a/nebo separátu digestátu z bioplynové stanice, smísí s nasákavou biomasou vybranou ze skupiny tvořené dřevní štěpkou, slámou, senem, pilinami a zeleným odpadem, počáteční vlhkost této směsi je 55 až 65% hmotn., poměr C : N je 1: 25 až 35, proces aerobní fermentace probíhající 3 až 4 týdny v závislosti na klimatických podmínkách je iniciován aerobními mikroorganismy přítomnými v čistírenských kalech a/nebo v separátu digestátu z bioplynové stanice, směs biomasy se nejméně jednou týdně mechanicky překopává, proces aerobní fermentace probíhá v nejméně třech cyklech, kdy teplota během prvního cyklu dosáhne teploty 70 °C a ke konci týdne klesne, po překopání zakládky směsi biomasy opět teplota stoupne na 55 až 60°C a posléze klesne, po dalším překopání zakládky směsi biomasy dojde ke zvýšení a opětnému poklesu teploty, celý proces je řízen nucenou aerací, po dosažení snížení teploty pod 40 °C a vlhkosti na 35 až 40 % hmotn. je směs připravena ke spalování.
2. 2. Způsob podle nároku 1 vyznačující se tím, že se stabilizované čistírenské kaly misi s odpadními produkty ze zemědělské výroby, hygienizovanými gastroodpady nebo jatečními odpady.
3. 3. Způsob podle nároku 1 vyznačující se tím, že homogenní směs biomasy se ukládá na zastřešené ploše v pásech o minimální výšce 2 m, přičemž po celé délce pod pásy homogenní směsi biomasy jsou umístěny provzdušňovací kanály pro vhánění nebo odsávání vzduchu skrze pásy biomasy.
4. 4. Způsob podle nároku 1 vyznačující se tím, že pachové látky unikající z biomasy se zachycují na biofiltru, který sestává z náplně vybrané ze skupiny látek, tvořené rašelinou, kompostem , vřesem nebo kůrou.
5. 5. Způsob podle nároku 1 vyznačující se tím, že se směs po fermentaci před spalováním granuluje.
6. 6. Způsob podle nároku 1 vyznačující se tím, že se směs po fermentaci míchá kvůli zvýšení výhřevnosti s čistou a suchou biomasou, vybranou ze skupiny tvořené senem , dřevní štěpkou nebo papírem.