CZ303757B6

CZ303757B6 - Biopalivo získané aerobní fermentací cistírenských kalu a biomasy a zpusob jeho prípravy aerobní fermentací

Info

Publication number: CZ303757B6
Application number: CZ20100960A
Authority: CZ
Inventors: Dytrich@David
Original assignee: Trigad, S.R.O.
Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2013-04-24
Also published as: CZ2010960A3

Abstract

Biopalivo získané aerobní fermentací cistírenských kalu a biomasy podle vynálezu s výhrevností 10 000 az 14 000 kJ/kg, obsahující maximálne 2 500 mg/m.sup.3.n.SO.sub.2.n.a 650 mg/m.sup.3.n.NO.sub.x.n., 2 500 mg/m.sup.3.n., 250 mg/m.sup.3.n.tuhých znecistujících látek a 650 mg/m.sup.3.n.oxidu uhelnatého (CO), vztazeno k referencnímu obsahu kyslíku 11% v suchých spalinách, obsahuje 35 az 40 % vody a zbytek tvorí organické látky získané aerobní fermentací 20 az 60 % hmotn. stabilizovaných odvodnených cistírenských kalu a/nebo separátu digestátu z bioplynové stanice a biomasy vybrané ze skupiny tvorené drevní stepkou, slámou, senem, pilinami a zeleným odpadem. Zpusob jeho prípravy spocívá v tom, ze se 20 az 60 % hmotn. stabilizovaných odvodnených cistírenských kalu a/nebo separátu digestátu z bioplynových stanic, smísí s nasákavou biomasou vybranou ze skupiny tvorené drevní stepkou, slámou, senem, pilinami a zeleným odpadem, pricemz pocátecní vlhkost této smesi je 55 az 65 % hmotn. a proces aerobní fermentace je rízen nucenou aerací a po dosazení snízení teploty po 40 .degree.C a vlhkosti na 35 az 40 % hmotn. je smes pripravena ke spalování.

Description

Biopalivo získané aerobní fermentací čistírenských kalů a biomasy a způsob jeho přípravy aerobní fermentací

Oblast techniky

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

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 do 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 čištění 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 emisních a vysoké provozní náklady.

Dokument EP 0458 738 A2 se týká procesu kompostace tekutých odpadů kontaminovaných škodlivými látkami společně s odpadním dřevem aerobní fermentací a použitím získaného produktu. Směs obsahuje též domovní odpad a aerobně se fermentuje v kompostéru působením mikroorganismů přítomných v čistírenských kalech. Poměr C:N je přibližně 1 : 30, teplota kompostování se udržuje na 55 až 60 °C a celý proces trvá 14 až 30 dnů. Získaný produkt má strukturu podobnou rašelině. A lze jej spalovat v pecích nebo jiných spalovacích zařízeních, kde se docilují běžně vysoké teploty nad 800 °C a které mají speciálně přizpůsobené čistění odpadních plynů. Popeloviny nelze využít jako hnojivo, kvůli obsahu škodlivin, a proto se musí pouze sládkovat. Tento dokument sice popisuje výrobu biopaliva, ale nevhodného k použití v běžných stacionárních spalovacích zařízeních. Jedná se o spalování odpadu, a v podstatě se jedná o způsob likvidace škodlivých látek.

Vzhledem k obsahu škodlivých látek obsažených v tekutých a komunálních odpadech nelze tento produkt použít jako běžné biopalivo pro kotle s kapacitou 0,2 až 50 MW, pro něž jsou stanoveny limitní parametry pro těžké kovy, a oxidy síry a dusíku.

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 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 fermentací, surovinu je třeba před fermentací rozdrtit, a na dosušení zhomo- 1 CZ 303757 B6 genizované zfermentované směsi před spalováním, velká prostorová náročnost fermentační linky, komplikovaná regulace procesu fermentace a s tím spojené energetické ztráty.

Podstata vynálezu

Uvedené nevýhody odstraňuje biopalivo s výhřevností 10 000 až 14 000 KJ/kg a které obsahuje 35 až 40 % 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 vybrané ze skupiny tvořené dřevní štěpkou, slámou, senem, pilinami a zeleným odparem.

Biopalivo obsahuje při provozu stacionárních zdrojů znečištění v suchých spalinách maximálně 2500 mg/m³ SO2, 650 mg/m^J NOX, tuhých znečišťujících látek 250 mg/m³ a oxidu uhelnatého (CO) 650 mg/m³, vztaženo k referenčnímu obsahu kyslíku 11%. Zároveň je již kontrolou vstupních surovin třeba omezit nadlimitní obsah těžkých kovů ve spalinách i popelovinách, tím, že vstupní suroviny jsou testovány. Vždy musí být biopalivo certifikováno jako výrobek, který splňuje všechny parametry ochrany ovzduší pro provoz stacionárních zdrojů znečištění o kapacitě 0,2 až 50 MW.

Způsob jeho přípravy aerobní fermentací čistírenských kalů a biomasy, kdy poměr C; N je 1 : 25 až 35, proces aerobní fermentace probíhá 3 až 4 týdny v závislosti na klimatických podmínkách, je iniciován aerobními mikroorganismy obsaženými převážně v čistírenských kalech nebo separátu digestátu z bioplynových stanic, směs biomasy se nejméně jednou týdně mechanicky překopává a provzdušňuje, proces aerobní fermentace probíhá v nejméně třech cyklech, kdy teplota během prvního cyklu dosáhne teploty 70 °C a ke konci týdne klesne, po překopání základky směsi biomasy opět teplota stoupne na 55 až 60 °C a posléze klesne, po dalším překopání základky směsi biomasy dojde ke zvýšení a opětnému poklesu teploty, 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. Proces aerobní fermentace je iniciován aerobními mikroorganismy přítomnými v čistírenských kalech a/nebo v separátu digestátu z bioplynové stanice a 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 biofdtru, který sestává z náplně vybrané ze skupiny látek, tvořené rašelinou, kompostem, vřesem nebo kůrou.

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

Směs po aerobní fermentací 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 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 speciálně 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 základkách, 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 základky vháněn nebo odsáván vzduch pomocí perforovaných, betonových, provzdušňovacích kanálů umístěných po celé délce pod profilem základky. Provzdušňovací systém je jádrem aerobní technologie.

Vzhledem ktomu, že fermentace dochází ke sléhávání základky (zanáší se póry, kterými proudí vzduch), je nutné tento systém doplnit o mechanické překopání, které je prováděno v časovém intervalu lx týdně. Jeho hlavním účelem je provzdušnit základku, a tím dosáhnout řízené mikrobiální reakce. Dalším důvodem překopávání je řádné promísení všechny použitých substrátů a minimalizace teplotní a vlhkostní nehomogenity - na povrchu a především na dně základky, kde je materiál silně ochlazován a fermentace 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 palivové směsi z biologicky aktivních odpadů, jen nutné zabezpečit jejich biochemickou stabilizaci. Působením mikroorganismů a za přístupu vzdušného kyslíku dochází k aerobní fermentací a stabilizace základky. Probíhající termofilní aerobní fermentací se veškeré patogenní mikroorganizmy usmrtí. Vysoká teplota 60 až 75 °C a doba jejího působení na základku 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 základky 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 řídicího systému (ŘS). ŘS přijímá signály z jednotlivých větších či menších logicky spojených souborů zařízení a monitorování systémů a zpětnou vazbou předává signály k řízení těchto souborů. Řízení a monitoring jsou prováděny z centrálního velína nebo pomocí místních ovládacích panelů.

Jednotliví 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 základky. Informace o teplotě se odesílá pomocí rádiového signálu do řídicí stanice.

- 3 CZ 303757 B6

Pro každou základku 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 ajejich změnu. S řídicí jednotkou je spojena záznamová jednotka, která znázorňuje měřené údaje jednotlivých základek. Vždy jsou znázorněny aktuální měřené teploty sjejich 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 základky, 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 spalování v režimu spalování nebo spoluspalování biopaliva na středním nebo velkém zdroji znečištění.

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 dosoušení pozitivní. Výhřevnost výsledného produktu se pohybuje okolo 12 000 kJ/kg, na úrovní 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 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 skladování. Rovněž tak se jedná o regionální získávání biopaliva v prostředí stále se zužujícího trhu se štěpkou.

-4CZ 303757 B6

Průmyslové využití

Biopalivo podle vynálezu má výhřevnost na úrovni běžně spalované tzv. hnědé štěpky nebo horšího hnědého uhlí.

Biopalivo lze připravit energeticky nenáročným dosoušením a aerobní přeměnou biomasy s vysokým obsahem vlhkosti.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Biopalivo získané aerobní fermentaci čistírenských kalů a biomasy, vyznačující se výhřevností 10 000 až 14 000 kJ/kg, s obsahem maximálně 2500 mg/m³ SO2 a 650 mg/m^J NO_X, 2500 mg/m³, 250 mg/m³ tuhých znečisťujících látek a 650 mg/m³ oxidu uhelnatého (CO), vztaženo k referenčnímu obsahu kyslíku 11% v suchých spalinách, obsahuje 35 až 40 % hmotn. vody a zbytek tvoří organické látky získané aerobní fermentaci 20 až 60 % hmotn. stabilizovaných odvodněných čistírenských kalů a/nebo separátu digestátu z bioplynové stanice a biomasy vybrané ze skupiny tvořené dřevní štěpkou, slámou, senem, pilinami a zeleným odpadem.
2. Způsob přípravy biopaliva podle nároku 1 aerobní fermentaci čistírenských kalů a biomasy, kdy poměr C ; N je 1 ; 25 až 35, proces aerobní fermentace probíhá 3 až 4 týdny v závislosti na klimatických podmínkách, je iniciován aerobními mikroorganismy, směs biomasy se nejméně jednou týdně mechanicky překopává a provzdušňuje, proces aerobní fermentace probíhá v nejméně třech cyklech, kdy teplota během prvního cyklu dosáhne teploty 70 °C a ke konci týdně klesne, po překopání základky směsi biomasy opět teplota stoupne na 55 až 60 °C a posléze klesne, po dalším překopání základky směsi biomasy dojde ke zvýšení a opětnému poklesu teploty, vyznačující se tím, 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 s tím, že počáteční vlhkost této směsi je 55 až 65 % hmotn., přičemž proces aerobní fermentace je iniciován aerobními mikroorganismy přítomnými v čistírenských kalech a/nebo v separátu digestátu z bioplynové stanice, celý proces je řízen nucenou aerací a po dosažení snížení teploty pod 40 °C a vlhkosti na 35 až 40 % hmotn. je směs připravena ke spalování.
3. Způsob podle nároku 2, vyznačující se tím, že se homogenní směs biomasy ukládá na zastřešené ploše v pásech o minimální výšce 2 m, přičemž po celé délce jsou pod pásy homogenní směsi biomasy umístěny provzdušňovací kanály pro vhánění nebo odsávání vzduchu skrze pásy biomasy.
4. Způsob podle nároku 3, vyznačující se tím, že se pachové látky unikající z biomasy zachycují na biofiltru, který sestává z náplně vybrané ze skupiny látek, tvořené rašelinou, kompostem, vřesem nebo kůrou.
5. Způsob podle nároku 3, vyznačující se tím, že se směs po fermentaci před spalováním granuluje.
6. Způsob podle nároku 3, 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.