CZ22180U1

CZ22180U1 - Biopalivo

Info

Publication number: CZ22180U1
Application number: CZ201023676U
Authority: CZ
Inventors: Dytrich@David
Original assignee: Trigad, S.R.O.
Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2011-05-09

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká biopaliva na bázi čistírenských kalů a biomasy.

Dosavadní stav techniky

Kaly z čistíren odpadních vod představují celosvětově 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 nato sledné 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 smísí s městským zeleným odpadem a s lokálně dostupným biologickým materiálem, který je rostlinné2o ho 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 fermentací 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 technického řešení

Uvedené nevýhody odstraňuje biopalivo získané aerobní fermentací biomasy, které podle technického řešení spočívá v tom, že má výhřevnost 10 000 až 14 000 MJ/kg a obsahuje 35 až 40 % hmotn. vody a zbytek tvoří organické látky získané aerobní fermentací 20 až 60 % hmotn. stabilizovaných odvodněných čistírenských kalů a/nebo separátu digestátu z bioplynové stanice a biomasy s počáteční vlhkostí této směsi 55 až 65 % hmotn., a poměrem C : N, který je 1 : 25 až 35, řízenou nucenou aerací, probíhající 3 až 4 týdny v závislosti na klimatických podmínkách, s jednotýdenním mechanickým překopáváním směsi biomasy 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 za40 kládky směsi biomasy dojde ke zvýšení a opětnému poklesu teploty, iniciovanou aerobními mikroorganismy přítomnými v čistírenských kalech a/nebo v separátu digestátu z bioplynové stanice.

Biomasa pro aerobní fermentaci je vybrána ze skupiny tvořené dřevní štěpkou, slámou, senem, pilinami a zeleným odpadem.

Biomasa je s výhodou dále míšena s odpadními produkty ze zemědělské výroby, hygienizova45 nými gastroodpady nebo jatečními odpady.

- 1 CZ 22180 Ul

S výhodou jsou organické látky získány aerobní fermentací biomasy na zastřešené ploše v pásech o minimální výšce 2 m, pod nimiž po celé délce jsou umístěny provzdušňovací kanály pro vhánění nebo odsávání vzduchu skrze pásy biomasy.

Biopalivo je s výhodou z důvodu objemových ve formě granulí.

Biopalivo 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 io 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 zeleně, tedy materiály, které se vyskytují v dostatečném množství a nelze je samostatně přímo zhodnotit na trhu s odpady. Pro aerobní fermentací podle vynálezu není nutné tyto suroviny specielně drtit na drobné částice, ts 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, pro vzdušňo vacích kanálů umístěných po celé délce pod profilem zakládky. Provzdušňovací systém je jádrem aerobní technologie.

Vzhledem k tomu, 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 Ča25 sovém intervalu 1 * týdně. Jeho hlavním účelem je provzdušnit zakládku, a tím dosáhnout řízené mikrobiální reakce. Dalším důvodem překopávání je řádné promísení všech použitých substrátů a minimalizace teplotní a vlhkostní nehomogenity - na povrchu a především na dně zakládky, kde je materiál silně ochlazován a feimentace v této části neprobíhá dostatečně intenzivně, díky nižší teplotě, nemusí být také zajištěna dostatečná hygienizace zpracovávané biomasy.

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

Při výrobě biopaliva 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 fermentací 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 bioma40 sy 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 řídicího systému (RS). RS přijímá signály z jednotlivých větších či menších logicky spojených sou45 borů zařízení a monitorování systémů a zpětnou vazbou předává signály k řízení těchto souborů. Řízení a monitoring jsou prováděny z centrálního velínu nebo pomocí místních ovládacích panelů.

-2CZ 22180 Ul

Jednotlivá zařízení jsou vybavena systémem nouzového odstavení a spínače jsou umístěny ve velínu 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 řídicí 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 řídicí jednotkou je spojena záznamová jednotka, která znázorňuje měřené údaje jednotlivých zakládek. Vždy jsou znázorněny aktuální měřené teploty s jejich minimálními, maximálními a průměrnými hodnotami, kteréjsou 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 spalování 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 provozování spalovacích stacionárních zdrojů znečištění 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 referenčnímu obsahu kyslíku 11 %). Tyto limity jsou pro SO₂ stanoveny na 2 500 mg/m³, pro oxid dusíku jako NO_X na hodnotu 650 mg/m³, pro tuhé znečišťující látky je limit 250 mg/m³a 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 fúgátem z bioplynových stanic přímo na pole ve vhodném poměru běžnou zemědělskou technikou.

Příklady provedení

Biopalivo připravené podle technického řešení biologickým sušením bylo připraveno smícháním 241 čistírenských kalů, 4 t sena a 2 t odpadu 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 dosoušení pozitivní. Výhřevnost výsledného biopaliva se pohybuje okolo 12 000 kJ/kg, na úrovni horšího hnědého uhlí. Optimistické byly i výsledky spotřeby energie pro ventilaci a překopávání.

Výroba biopaliva je zajímavá 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 fermentaci 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 zásobování 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.

-3CZ 22180 Ul

Průmyslové využití

Biopalivo podle technického řešení je na úrovni běžně spalované tzv. hnědé štěpky nebo horšího hnědého uhlí.

Claims

NÁROKY NA OCHRANU

5 1. Biopalivo získané aerobní fermentaci biomasy, vyznačující se tím, že má výhřevnost 10 000 až 14 000 MJ/kg a obsahuje 35 až 40 % hmotn. vody a zbytek tvoří organické látky získané aerobní fermentaci s řízenou nucenou aerací 20 až 60 % hmotn. stabilizovaných odvodněných čistírenských kalů a/nebo separátu digestátu z bioplynové stanice a biomasy s počáteční vlhkostí této směsi 55 až 65 % hmotn., a poměrem C : N, který je 1 : 25 až 35.

io
2. Biopalivo získané aerobní fermentaci biomasy podle nároku l, vyznačující se tím, že biomasa pro aerobní fermentaci je vybrána ze skupiny tvořené dřevní štěpkou, slámou, senem, pilinami a zeleným odpadem.
3. Biopalivo získané aerobní fermentaci biomasy podle nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že biomasa je dále ve směsi s odpadními produkty ze zemědělské výroby, hygienizova15 nými gastroodpady nebo jatečními odpady.
4. Biopalivo podle nároků 1 až 3, vyznačující se t í m, že je ve formě granulí.