CZ308795B6

CZ308795B6 - Způsob výroby paliva k přímému spalování z odpadních materiálů biologického původu

Info

Publication number: CZ308795B6
Application number: CZ2016748A
Authority: CZ
Inventors: Silvia BASTYR; Silvia Ing. Bastyr; Pavol FITKO; Pavol Ing. Fitko; Maroš VANČO; Maroš Vančo
Original assignee: Estate Reality Prague A.S.
Priority date: 2016-11-30
Filing date: 2016-11-30
Publication date: 2021-05-26
Also published as: HUP1700296A2; WO2018099496A1; PL247460B1; SK500432017A3; SK8302Y1; SK500632017U1; CZ2016748A3; EP3548588A1; SK289105B6; PL422139A1

Abstract

Způsob výroby paliva k přímému spalování z odpadních materiálů biologického původu s využitím masy odpadních materiálů se startovací vlhkostí 40 až 70 % hmotn. vody a s minimálně 25 % hmotn. organických látek. Masa je tvořena dvěma základními skupinami látek, jednak šťavnatými látkami s obsahem vody 5 až 98 % hmotn., jako zdrojem inokula mikroflóry a vody, jednak nešťavnatými látkami v množství minimálně 15 % celkové hmotn. masy, jako zdrojem redukčních činidel a strukturálních látek. Jednotlivé komponenty se pro vytvoření masy ukládají v běžných atmosférických podmínkách do vrstev, přičemž se jednotlivé komponenty vybírají a/nebo doplňují podle obsahu vlhkostí s tím, že výsledná sypkost masy dovoluje samostatné udržení navršeného tvaru, načež se mechanicky promíchají do homogenního složení a do rovnoměrného rozložení vlhkosti a navrší se jako masa do útvaru o maximální výšce 4 m, která po sesednutí klesne na požadovanou výšku maximálně 3 m. Sleduje se povrchové vysychání masy související s úlety hmoty, úniky výluhů ze spodní části masy. Zároveň se sleduje vývoj teploty v oblasti minimálně 0,8 m nad základnou a minimálně 0,8 m pod povrchem masy, přičemž při předčasné stagnaci teploty se masa opakovaně promíchá, načež proces končí po zastavení teplotních výkyvů na stabilní teplotě maximálně 40 °C.

Description

Vynález se týká způsobu výroby paliva k přímému spalování z masy odpadních materiálů biologického původu, kde v aerobních podmínkách dochází vlivem složení masy odpadních materiálů k urychlenému samovolnému nárůstu teploty.

Dosavadní stav techniky

V současné době je známo několik způsobů, jak likvidovat nebo využívat odpadní materiály biologického původu. Nejznámější je kompostování, což je aerobní proces rozkladu materiálu obvykle rostlinného původu, probíhající za určitých podmínek za přispění mikroorganismů. Výsledný produkt je obvykle využíván pro hnojení nebo jako součást substrátu pro pěstování rostlin. Nevýhodou tohoto procesu je, že se z výchozí masy neodstraní škodlivé látky, například ropné látky, zbytky léčiv a drog, hormony, těžké kovy, endokrinní disruptory, jedy, barviva atd.

V přírodě také v dlouhodobém procesu lze pozorovat tzv. uhelnatění (respektive ulmifikace) masy rostlinného materiálu, jehož výsledkem je spalitelný materiál, jako rašelinanebo uhlí. Pro praktické využití likvidace biologického odpadu je však kvůli velmi dlouhému procesu těžko použitelný.

Existuje trvalá potřeba likvidace nebo využití biologických odpadů, látek v původní formě těžko využitelných a rizikových nebo nebezpečných látek. Jako vhodný se jeví proces chemickobiologického zahřívání, jehož výsledkem by měla být lehce spalitelná hmota s významnou výhřevností a dobrými palivovými vlastnostmi. Nastartování a intenzita procesu je však velmi závislá na chemických, biologických a fýzikálních vlastnostech výchozí masy. To se jeví jako značný problém, neboť při nevhodném složení masy neprobíhá proces v žádoucí intenzitě nebo patřičném rozsahu.

Úkolem vynálezu je vytvořit takové složení a vlastnosti výchozí masy odpadních materiálů biologického původu, a technologickým procesem vytvoření takových podmínek, aby se mohl samovolně nastartovat a s dostatečnou rychlostí proběhnout proces chemicko-biologického zahřívání, jehož výsledkem by byl materiál se škodlivinami neutralizovanými nebo zlikvidovanými, s vysokou energetickou hodnotou, využitelný jako palivo k přímému spalování.

Podstata vynálezu

Uvedený úkol splňuje vynález, jímž je způsob výroby paliva z masy odpadních materiálů biologického původu a biologicky rozložitelné, s obsahem biogenních prvků uhlíku, vodíku, kyslíku, síry a dusíku. Masa odpadních materiálů je umístěná v aerobním prostředí za přítomnosti vzdušného kyslíku a dalších atmosférických plynů. Podstata vynálezu spočívá v tom, že masa odpadních materiálů obsahující startovací vlhkost 40 až 70 % hmota, vody a minimálně 25% hmota, organických látek je tvořena dvěma základními skupinami látek. Jednak šťavnatými látkami s obsahem vody 5 až 98 % hmota, jako zdrojem inokula mikroflóry a vody, jednak nešťavnatými látkami, v množství minimálně 15 % celkové hmota, masy, jako zdrojem redukčních činidel a strukturálních látek. Šťavnatými látkami je alespoň jeden druh látek kalového charakteru, které jsou tvořeny kapalnou fází a pevnou fází dispergovanou v kapalné fázi, a nešťavnatými látkami jsou materiály s obsahem celulózy s frakcí 15 až 750 mm. Šťavnatými látkami jsou kaly z čistíren městských odpadních vod a/nebo kaly z čistíren průmyslových odpadních vod a/nebo materiály méně kalového charakteru, a nešťavnatými látkami jsou lignocelulózové materiály a/nebo obaly a jejich části z obchodní a/nebo komunální sféry a/nebo jiné materiály s obsahem celulózy. Při způsobu výroby se jednotlivé komponenty pro vytvoření masy ukládají v běžných

- 1 CZ 308795 B6 atmosférických podmínkách do vrstev, přičemž se vybírají a/nebo doplňují podle obsahu vlhkosti s tím, že startovací vlhkost masy je 40 až 70 % hmoto, masy a s tím, že výsledná sypkost masy dovoluje samostatné udržení navršeného tvaru. Následně se mechanicky promíchají do homogenního složení a do rovnoměrného rozložení vlhkosti a navrší se jako masa do útvaru o maximální výšce 4 m, která po sesednutí klesne na požadovanou výšku maximálně 3 m. Poté se sleduje povrchové vysychání masy související s úlety hmoty. Při vznikajících úletech se masa mechanicky a/nebo pneumaticky promíchává a znovu homogenizuje. Zároveň se sledují úniky výluhů ze spodní části masy. Při vzniku výluhů, z důvodu přílišného sesednutí nebo prosáknutí vlhkosti do spodní vrstvy, se masa opět mechanicky a/nebo pneumaticky promíchá a znovu homogenizuje. Také se zároveň sleduje vývoj teploty v oblasti minimálně 0,8 m nad základnou a minimálně 0,8 m pod povrchem masy, přičemž při předčasné stagnaci teploty se masa opakovaně promíchá. Proces končí po zastavení teplotních výkyvů na stabilní teplotě maximálně 40 °C.

Pro způsob výroby paliva podle vynálezu je podstatné dále i to, že kaly z čistíren městských odpadních vod jsou vybrány ze skupiny kalů: primární kaly, sekundární kaly, terciální kaly, surové kaly, anaerobně stabilizované kaly, aerobně stabilizované kaly, chemicky stabilizované kaly, fýzikálně stabilizované kaly, odvodněné kaly. Kaly z čistíren průmyslových odpadních vod jsou vybrány ze skupiny kalů: kaly z výroby buničiny a papíru, kaly z výroby překližek a odpadní vlákna z výroby dřevovláknitých desek, chlévský hnůj, exkrementy, podestýlky, kaly z jiné výroby. Materiály méně kalového charakteru jsou vybrány ze skupiny materiálů: mršiny, siláže, senáže, plody, rostlinné tuky a oleje, zbytky z výroby agaru a želatiny, živné půdy z biotechnologické výroby, produkty z bioplynových stanic, vodní rostliny a živočichové, odpady a přebytky z potravin.

Lignocelulózovými materiály jsou dendromasa a/nebo fytomasa. Obaly a jejich části z obchodní a/nebo komunální sféry jsou vybrány ze skupiny materiálů: papír, karton, lepenka, nápojové a potravinové obaly z kombinovaných materiálů, jako jsou TetraPaky. Jiné materiály jsou vybrány ze skupiny materiálů: bankovky, výrobky z buničiny.

Alespoň část šťavnatých látek při výrobě paliva podle vynálezu může být nahrazena pomocnými látkami, jako činidlem pro zvýšení reakční plochy a/nebo tepelně izolačním činidlem. Tyto pomocné látky jsou tvořeny pomocným lignocelulózovým materiálem a/nebo těžebními a/nebo důlními kaly a/nebo jiným odpadem. Pomocný lignocelulózový materiál je vybrán ze skupiny materiálů: piliny a hobliny, slámová drť, kůstky, plody a jejich části a skořápky, plevy, šroty, otruby, tráva, vodní biomasa a jiný odpad je vybrán ze skupiny materiálů: dnové sedimenty, gumové výrobky, koželužský odpad.

Pro vysvětlení podstaty vynálezu je podstatné poukázat na použití vhodných výchozích surovin, které se vyznačují:

A) příčinnými znaky, tj. znaky a vlastnosti výchozí suroviny, které mají zásadní vliv pro proces zahájení a průběh procesu:

Skupina 1 - šťavnaté látky (kalového charakteru) jako zdroj inokula mikroflóry a zdroj vody (bližší popis vlastností důležitých pro proces).

Kromě přirozené přítomnosti potřebné mikroflóry použitelné jako inokulum se svým složením a formou jedná o vlhké, lepkavé, rosolovité, poměrně pevně soudržné - klihové látky, jejichž molekuly se vzájemně drží kvůli vzájemné přitažlivosti a přilnavosti, přičemž mají zároveň kohezní i adhezivní vlastnosti. Molekuly se navzájem proplétají, což v důsledku znamená, že při fýzické manipulaci s těmito látkami nebo při vysychání vznikají odolné útvary podobné kouli, resp. kulovitým tělesům. Je to důsledek vnitřních soudržných sil molekul.

Další důležitou vlastností určující charakter těchto látek je obsah volné a vázané vody:

-2 CZ 308795 B6

a) volná voda - je to voda zajišťující tekutý charakter. Tato voda, která není přímo vázána na žádné částice, způsobuje, že při hromadění šťavnatých látek tato voda gravitací stéká do nižších vrstev. To způsobuje tvorbu výluhů a nerovnoměrnost obsahu vody v horizontálních vrstvách vytvořené masy.

b) kapilární voda - je to voda, která se nachází mezi jednotlivými vločkami kalových látek. Tento druh vody způsobuje zaplavování pórů masy, čímž se vytlačuje vzduch.

c) adsorbovaná voda - je to voda na povrchu jednotlivých částic a je na ně vázána adhezními a adsorpčními silami. Tato voda částečně vyřazuje z provozu reakční plochy.

d) vnitřní voda - tato voda se nachází v molekulárních strukturách a v buňkách. Tato voda téměř vůbec proces neovlivňuje.

Z hlediska fýzikálního mají šťavnaté látky tři vlastnosti, které jsou zásadní pro následné vytvoření správné složené výchozí masy:

- lepivost (lepkavost),

- přilnavost (vazby s povrchem), - soudržnost (vnitřní vazby).

Tyto vlastnosti způsobují poměrně pevné propojení mezi jednotlivými částicemi vytvořené masy, tzn. mezi šťavnatými, nešťavnatými a pomocnými látkami.

Zároveň tyto speciální vlastnosti pomáhají procesu chemickobiologického zahřívání, kterému vytvořená masa podléhá, protože jednotlivé částice masy se shlukují jedinečným způsobem a to tak, že při vzájemném kontaktu šťavnatých a ne šťavnatých látek vzniká efekt známý v oboru jako Černý Princ, což se dá popsat jako obalení částice nešťavnaté látky poměrně jednolitou vrstvou šťavnatých látek. Při vzájemném míchání to funguje samovolně, extrémně rychle a spolehlivě bez jakékoliv chemické reakce a se zárukou, že vzniklé útvary téměř po celou dobu chemickobiologického zahřívání si svoji podobu udrží.

Pro spojení dvou komponentů šťavnatých a nešťavnatých látek stačí jen krátký dotyk s vyvinutím minimálního tlaku během promíchávání masy.

Skupina 2 - nešťavnaté látky (ligno-celulózového původu) jako zdroj redukčních činidel a zdroj strukturálních materiálů (bližší popis vlastností důležitých pro proces). Jsou porézním pletivovým hygroskopickým materiálem schopným přijímat vodu z okolního prostředí díky adsorpci, a to v kapalném i plynném skupenství. Vyplývá to z morfologie a podstaty stavebních elementů těchto látek, které jsou schopné vodu nejen přijímat, ale i dále transportovat. Transport vody probíhá jako difúzní děj působením tahového napětí vody v kapilárách. Pro proces chemickobiologického zahřívání jsou využívána zejména, tzv. makrokapiláry.

V místě poškození pletiv je místo vody nasávaný vzduch, což je pro proces chemickobiologického zahřívání důležitý jev.

Důsledkem značné pórovitosti je velký vnitřní povrch sušiny. Tento značný vnitřní povrch může absorbovat značné množství vody ze šťavnatých látek. Množství absorbované vody závisí na několika faktorech tj. chemických a fýzikálních vlastnostech konkrétní částice (molekulární hmotnost a objem, povrchové napětí) a na faktorech prostředí (tlak způsobený hmotností vrstvy, teplota, vlhkost okolního vzduchu).

-3 CZ 308795 B6

B) Důsledkové znaky, tj. - s využitím příčinných znaků, tedy uvedených materiálů a způsobu zacházení s nimi (chemické a fyzikální děje) vznikne jako důsledek procesu palivo.

S pohybem vody a změnou obsahu vody v mase během průběhu procesu jsou spojeny i změny fyzikálních a mechanických vlastností masy, které mají zásadní vliv na výsledek, tj. vyrobené palivo.

Vyrobené palivo kromě odpovídajícího chemického složení v souvislosti s předepsaným limitním obsahem rizikových látek pro konkrétní kotel musí splňovat základní technické požadavky:

- se vzduchem vytvořit směs, která zanechá po shoření co nejméně mechanicky nebo chemicky škodlivých látek;

- maximální obsah aktivních látek, které uvolňují teplo;

- minimální obsah pasivních látek nebo látek, které spalování stěžují.

Musí mít vhodné fyzikální vlastnosti:

- bezpečná dopravitelnost do místa spalování,

- dobrá výhřevnost, - dobrá zápalnost.

Výhodou a vyšším účinkem vynálezu je dosažení rychlého samovolného nárůstu teploty a v relativně krátkém čase získání paliva s významnou výhřevností. Za podstatný přínos lze ovšem také považovat velmi podstatnou skutečnost, že se palivo získává při procesu, při němž dochází k neutralizaci a/nebo rozkladu škodlivin přítomných ve výchozí mase. Při samotném procesu chemicko-biologického zahřívání a přeměny výchozích látek a následně při kontrolovaném spalování výsledné látky - paliva dochází ke konečné a úplné likvidaci převážné většiny nežádoucích látek. Získá se využitelné palivo k přímému spalování, a zároveň se minimalizuje vliv využitých odpadních materiálů ve výchozí mase na životní prostředí.

Objasnění výkresů

Na přiloženém obr. 1 je vyobrazeno schéma navršené masy podle technického řešení ve fázi po nastartování procesu. Na obr. 2 je znázorněna v detailu část masy s reakčními zónami a mikroorganismy po nastartování procesu.

V obr. 1 a obr. 2 je schematicky znázorněný přirozený proces při dodržení podmínek podle vynálezu. Oblast A je pasivní zóna, šipka B znázorňuje přestup vzduchu masou, šipka C je přirozený únik tepelné energie ze zóny ohřívané oblasti a šipka D je přirozený únik tepelné energie ze zóny intenzivního zahřívání. Oblasti E jsou jednotlivé částice masy, F je vlhkost na povrchu částic, G znázorňuje funkční mikroorganismy na povrchu částic a H je prostor mezi částicemi, kde probíhají nej důležitější reakce.

Obrázky a popis jsou doplněny tabulkou, kde je schematicky vyobrazeno a popsáno složení masy podle technického řešení a schematicky vyobrazen postup zpracování komponent.

Příklady uskutečnění vynálezu

Způsob výroby paliva podle vynálezu byl výsledkem výzkumné činnosti v oblasti ekologické likvidace odpadních materiálů.

Teoretická část popisu vynálezu využívá známých procesů, které jsou uvedeny v kapitole podstata vynálezu. Vhodnou kombinací a usměrněním procesu se dosahuje důsledkových znaků, tj.

-4 CZ 308795 B6 s využitím příčinných znaků, tedy uvedených materiálů a způsobu zacházení s nimi (chemické a fyzikální děje) vznikne jako důsledek procesu palivo.

- maximální obsah aktivních látek, které uvolňují teplo,

Musí mít vhodné fyzikální vlastnosti:

- bezpečná dopravitelnost do místa spalování,

- dobrá výhřevnost, - dobrá zápalnost.

Pro způsob výroby paliva podle vynálezu je kromě jiného důležité i složení výchozí masy odpadních materiálů. Než bude popsáno několik příkladů konkrétního složení masy, uvede se základní charakteristika procesu chemicko-biologického zahřívání.

Pro samovolné nastartování procesu musí být vytvořena masa materiálů s určitými biologickými, chemickými a fyzikálními vlastnostmi. Masa, resp. její složky, jsou biologického původu a biologicky rozložitelné, s obsahem biogenních prvků uhlíku, vodíku, kyslíku, síry a dusíku. Materiály nemusí být exaktně definované, ale musí splňovat určité parametry. Důležité pro samotný proces jsou zejména:

- obsah organických a anorganických složek,

- chemické a biologické vlastnosti složek,

- procentuální zastoupení jednotlivých složek,

- obsah vázané a volné vlhkosti v mase,

- velikost jednotlivých částic,

- procentuální zastoupení menších a větších částic,

- celkový objem a tvar masy,

- sypná hmotnost,

- pórovitost,

- tepelně izolační vlastnosti masy,

- koncentrace plynů,

- doba trvání procesu,

- podmínky v okolní atmosféře.

V průběhu procesu dochází k termickému štěpení vazeb ve složkách a ke změně jejich chemického složení za vzniku jiných látek. Mění se struktura a konstrukční stavba materiálů v závislosti na velikosti pórů a kapilár, které ovlivňují přenos kyslíku, tepla a prostup plynů. Na probíhající procesy mají vliv i tvary a velikosti částic, jako rozměry, počet hran a zaoblení, různé úhly na částicích. Rychleji a intenzivněji probíhá proces u materiálů s drsným a porézním povrchem než u materiálů s hladkými částicemi. Důležité jsou i termodynamické vlastnosti, jako hmotnostní a tepelná kapacita materiálů, tepelná vodivost, součinitel prostupu tepla atd.

- 5 CZ 308795 B6

Pro vlastní způsob výroby paliva podle vynálezu je podstatné vytvoření vhodných podmínek pro zahájení a udržení výše uvedeného procesu. Toho se dosáhne vhodným složením masy a zajištěním jejích důležitých parametrů.

Proces začíná okamžitě nebo po velmi krátké době od vytvoření základní masy, a to nejprve v jednotlivých ložiscích, která se postupně zvětšují a rozšiřují do celé masy. Proces automaticky probíhá v jednotlivých fázích, vyvíjí se v průběhu času. Vzhledem k tomu, že samotná podstata děje chemicko-biologického zahřívání nemůže být předmětem technického řešení, není jeho podrobné vysvětlení zde důležité.

Důležité však je, jak zabezpečit, aby proces probíhal efektivně, případně jaké kroky učinit k tomu, aby se dosáhlo optimalizace procesu. K tomu je nutné:

1. Sledovat složení masy s celkovým obsahem organických látek minimálně 25 % hmota., výhodně nad 35 % hmota.

2. Dosáhnout správné chemické a biologické vlastnosti masy tím, že je tvořena dvěma základními skupinami látek, jednak šťavnatými látkami 1 s obsahem vody 5 až 98 % hmota., jako zdrojem inokula mikroflóry a vody, jednak nešťavnatými látkami 2, v množství minimálně 15 % celkové hmota, masy, výhodně však nad 25 % hmota, masy, jako zdrojem redukčních činidel a strukturálních látek. Část nešťavnatých látek 2 může být nahrazena pomocnými látkami 3, jako činidlem pro zvýšení reakční plochy a/nebo tepelně izolačním činidlem, tedy pro optimalizaci fýzikálních vlastností masy.

3. Docílit počáteční vlhkost masy po namíchání před spuštěním procesu 40 až 70 % hmota, vody, s výhodou 50 až 65 % hmota.

4. Zajištění a udržení co největšího množství vznikající tepelné energie, která se v různých fázích procesu mění. Platí však pravidlo, že chladnutí vlivem okolního prostředí musí být nižší, než zahřívání vlivem probíhajícího procesu. Ideální rozvoj procesu nastává, když teplota vystoupí cca na 50 až 55 °C do 72 hodin od vzniku souboru, a/nebo když se teplota zvyšuje o 5 až 7 °C za 24 hodin. Nejvyšší intenzita procesu nastupuje při teplotě nad 60 °C. Je žádoucí, aby teplota masy přesáhla 60 °C do 96 až 120 hodin od vzniku masy, neboť za těchto podmínek dochází k optimálnímu průběhu jednotlivých dějů. Se zvyšující se teplotou masy stoupá rychlost a intenzita reakcí. Při zvýšení teploty o 10 °C se rychlost reakcí 2x až 4x zvýší.

5. Zajistit správné množství oxidačních a redukčních činidel v mase. Oxidační činidla vyvolávají proces a udržují jej, redukční činidla v průběhu procesu oxidují. Pro toto technické řešení je charakteristické, že využívá nej dostupnější oxidační činidlo, kterým je vzdušný kyslík. Je žádoucí, aby tvořil ve směsi s ostatními atmosférickými plyny cca 21 % objemu plynné složky masy. Udržení množství vzdušného kyslíku v mase se musí přizpůsobit pórovitost a sypná hmotnost masy, její tvar a výška, a rovněž velikost jednotlivých frakcí, vzájemný poměr zastoupení větších a menších částic, různorodost tvarů částic. Větší množství drobných částic zvyšuje plochu pro průběh reakce, větší částice zajišťují pórovitost masy.

6. Upravit velikost, strukturu, tvar a množství částic před mícháním výchozí směsi masy. Pro průběh procesuje důležité, aby se zajistily a udržely zejména její fýzikální vlastnosti. Minimální hmotnost by měla být alespoň 3000 kg, ovšem výhodně více jak 10 000 kg. Ideální tvar navršené masy pro dosažení maximálního efektu je v podstatě pyramidální sedlový s výškou hřebene nebo vrcholu minimálně l,5m a maximálně 2,5 m, se svislým osovým průřezem ve tvaru rovnoramenného nebo rovnostranného trojúhelníku, nebo méně výhodně ve tvaru lichoběžníku, nebo obdélníku. Takový tvar a hmotnost masy zajistí dostatečný prostup pro atmosférické plyny, nedochází k nadměrnému slehnutí masy, a to při zachování žádoucí sypné hmotnosti a pórovitosti masy a jejích tepelně izolačních vlastností. V ideálním případě vrstva 1,5 až 2,5 m zpravidla velmi dobře izoluje vznikající ložiska samozahřívacího procesu. Pro dosažení maximálního efektu by

-6CZ 308795 B6 vrstva neměla být vyšší než 3 m. Při vyšších vrstvách nad 3 metry se totiž vlivem vlastní hmotnosti masa zhutňuje, snižuje se pórovitost a klesá obsah potřebného kyslíku.

K vlastnímu průběhu procesu je nutné podotknout, že v mnoha případech je vhodné pro optimalizaci průběhu odstraňovat vznikající plyny, zejména NH3, H2S, CO2 a CH4, nebo podporovat jejich unikání, protože mohou mít negativní vliv na transformační procesy.

Při přeskupování hmoty je možné pro vylepšení parametrů přidat další látky pro pozitivní ovlivnění procesu, jeho urychlení a zefektivnění.

Ukončení procesu se projeví samovolným snížením teploty masy, změnou původní vlhkosti, struktury a vzhledu.

V obr. 1 a obr. 2 je schematicky znázorněný přirozený proces při dodržení podmínek podle vynálezu. Oblast A je pasivní zóna, šipka B znázorňuje přestup vzduchu masou, šipka C je přirozený únik tepelné energie ze zóny ohřívané oblasti a šipka D je přirozený únik telené energie ze zóny intenzivního zahřívání. Oblasti E jsou jednotlivé částice masy, F je vlhkost na povrchu částic, G znázorňuje funkční mikroorganismy na povrchu částic a H je prostor mezi částicemi, kde probíhají nej důležitější reakce.

Skupiny látek výše uvedených v bodě 2 jsou pro přehlednost uspořádány v tabulce. Je nutné vzít v úvahu následující:

Rozlišujeme zde prakticky tři skupiny látek, a to šťavnaté látky 1, nešťavnaté látky 2 a pomocné látky 3.

Šťavnatými látkami je alespoň jeden druh látek kalového charakteru, které jsou tvořeny kapalnou fází a pevnou fází dispergovanou v kapalné fázi. Jsou to kaly la z čistíren městských odpadních vod a/nebo kaly 1b z čistíren průmyslových odpadních vod a/nebo materiály 1c méně kalového charakteru lc.

Kaly la z čistíren městských odpadních vod jsou vybrány ze skupiny kalů: primární kaly lal, sekundární kaly la2. terciální kaly la3. surové kaly la4. anaerobně stabilizované kaly la5. aerobně stabilizované kaly laó, chemicky stabilizované kaly la7, fýzikálně stabilizované kaly la8, odvodněné kaly la9.

Kaly 1b z čistíren průmyslových odpadních vod jsou vybrány ze skupiny kalů: kaly Ibl z výroby buničiny a papíru, kaly lb2 z výroby překližek a odpadní vlákna z výroby dřevovláknitých desek, chlévský hnůj lb3. exkrementy, podestýlky, kaly lb4 z jiné výroby.

Materiály 1c méně kalového charakteru jsou vybrány ze skupiny materiálů: mršiny lei, siláže, senáže, plody lc2, rostlinné tuky lc3 a oleje, zbytky lc4 z výroby agaru a želatiny, živné půdy lc5 z biotechnologické výroby, produkty lc6 z bioplynových stanic, vodní rostliny lc7 a živočichové, odpady lc8 a přebytky z potravin.

Nešťavnatými látkami 2 jsou materiály s obsahem celulózy s frakcí 15 až 750 mm. Jsou to lignocelulózové materiály 2a a/nebo obaly 2b a jejich části z obchodní a/nebo komunální sféry a/nebo jiné materiály 2c s obsahem celulózy.

Lignocelulózovými materiály 2a jsou dendromasa 2al a/nebo fytomasa 2a2.

Obaly 2b ajejich části z obchodní a/nebo komunální sféry jsou vybrány ze skupiny materiálů: papír 2bl. karton 2b2. lepenka 2b3. nápojové a potravinové obaly 2b4 z kombinovaných materiálů, jako jsou TetraPaky.

-7 CZ 308795 B6

Jiné materiály 2c jsou vybrány ze skupiny materiálů: bankovky 2cl, výrobky z buničiny 2c2.

Pomocnými látkami 3 jsou lignocelulózový materiál 3a a/nebo těžební a/nebo důlní kaly 3b a/nebo jiný odpad 3c.

Pomocný lignocelulózový materiál 3a je vybrán ze skupiny materiálů: piliny 3al a hobliny, slámová drť 3a2, kůstky 3a3, plody a jejich části a skořápky, plevy 3a4, šroty, otruby, tráva 3a5, vodní biomasa 3a6.

Jiný odpad 3c je vybrán ze skupiny materiálů: dnové sedimenty 3cl. gumové výrobky 3c2. koželužský odpad 3c4.

Veškeré materiály je vhodné před zamícháním do masy vhodně upravovat. Šťavnaté látky 1 se v případě potřeby obvykle podrobují sušení nebo dosoušení, sedimentaci nebo jinému druhu separace složek, odvodňování, sterilizaci nebo pasterizaci atd. Nešťavnaté látky 2 se obvykle mechanicky upravují, drtí, štěpkují, řežou, melou a třídí. Pomocné látky 3 se upravují podle jejich charakteru chemicky a/nebo mechanicky, například sušením a dosoušením, odvodňováním, separováním, hygienizací atd.

Jednotlivé složky se po úpravě zváží, nadávkují a smísí v relativně homogenní sypkou masu. Ta se navrší do patřičného výše uvedeného tvaru jehlanu, případně sedlového tvaru s hřebenovou přímkou. V běžných atmosférických podmínkách se nastartuje žádoucí proces prakticky během několika hodin, pokud je složení a parametry masy podle vynálezu.

V průběhu procesu je možné kontrolovat parametry, jako vlhkost a teplota, případně přítomnost různých plynů atd. V případě potřeby, nebo pro urychlení procesu, je vhodné masu přeskupit, promíchat, případně doplnit pro úpravu parametrů další látky. Výsledkem je spalitelná hmota palivo s dobrou výhřevností, které lze přímo spalovat pro následnou výrobu tepelné nebo elektrické energie. Celý proces je charakterizován synergickým efektem při získání energetického potenciálu masy. Výhřevnost finálního pálívaje vyšší, než je součet hodnot výhřevnosti vstupních materiálů.

Zacházení s masou a postup jejího vytvoření v praxi je obvykle takový, že se vstupní komponenty, u kterých minimálně 80 % hmotnosti výsledné masy tvoří frakce maximálně 750 mm, navrší na hromadu maximálně 4 m vysokou, která po homogenizaci promícháním a sesednutím získá požadovanou výšku max. 3 m. Výhodnost trojúhelníkového nebo lichoběžníkového svislého průřezu masy spočívá v tom, že je z okolního prostředí nasáván vzduch k základně masy. Prostupem vzduchu skrz jádro masy se tento intenzivně zahřívá a zahřátý vystupuje a uniká vrcholem masy, čímž se dosahuje pohyb v mase.

Při vytváření hromady se komponenty kombinují a ukládají na sebe do vrstev. Sleduje se celková vlhkost s ohledem nato, že výsledná startovací vlhkost masy je 40 až 70 % hmota, masy. Také se sleduje výsledná sypkost masy, která dovoluje samostatné udržení navršeného tvaru. Komponenty se mechanicky promíchají do homogenního složení a do rovnoměrného rozložení vlhkosti a navrší se jako masa do útvaru. Pokud je útvar již po navrstvení komponent dostatečně homogenní a drží tvar vlivem vhodné sypkosti, není promíchání nutné. Samostatné držení tvaruje znakem správného mechanického složení s vhodnou vlhkostí. Pak se sleduje povrchové vysychání masy související s úlety hmoty, kde při vznikajících úletech se masa mechanicky a/nebo pneumaticky promíchá a znovu zhomogenizuje. K úletům totiž dochází, když je masa na povrchu příliš suchá. Také se sledují úniky výluhů ze spodní části masy, kde při vzniku výluhů, z důvodu přílišného sesednutí nebo prosáknutí vlhkosti do spodní vrstvy, se masa mechanicky a/nebo pneumaticky znovu promíchá, homogenizuje a vlhkost se rozvede do celého objemu, také se masa provzdušní a doplní se kyslík, který se v procesu intenzivně spotřebovává. Příliš sesednutá, eventuálně přílišnou vlhkostí nasáklá spodní vrstva by způsobila omezení plynné složky nutné k průběhu procesu. Zároveň se sleduje vývoj teploty v oblasti minimálně 0,8 m nad základnou a minimálně 0,8 m pod povrchem masy. Teplotu je nutné měřit pravidelně, optimálně denně, případně kontinuálně

- 8 CZ 308795 B6 speciálními sondami. Základním sledovaným parametrem je neustále stoupající trend teploty. Není tak důležité, jak rychle teplota stoupá, ale musí se zvyšovat. Zvyšování teploty není nekonečné, ale zaznamená-li se stagnace nebo pokles teploty, je potřebné masu znovu promíchat. Masa se tím automaticky ochladí, ale vlivem probíhajících reakcí dojde k opětovnému růstu teploty. Takto se masa opakovaně zahřívá a ochlazuje, čímž vzniká typický zubovitý průběh teploty. Na začátku procesu jsou změny velmi výrazné, ale postupem času se zmírňují a výkyvy se stávají ploché, což je typický znak postupného vyčerpávání využitelné energie. Běžně jsou v průběhu procesu dosahované teploty nad 55 °C, v ideálním případě vystoupí teplota nad 70 až 75 °C, čímž dochází k hygienizaci masy.

Opakovaným stoupáním teploty a následujícím ochlazováním, které je zabezpečeno mechanickým a/nebo pneumatickým promícháváním, se jednoduše dosahuje patřičných hodnot pro fungování procesu:

- obsah kyslíku v plynné složce masy neklesne pod 12 % objemu plynné složky,

- obsah CO2 v plynné složce masy nevystoupí nad 30 % objemu plynné složky,

- obsah dusíku v plynné složce masy nevystoupí nad 25 % objemu plynné složky,

- vlhkost v mase je rovnoměrná v celém objemu,

- vlivem struktury j sou vytvořené vzduchové kapsy, ve kterých probíhaj i nej intenzivněj ší reakce.

Pokud teplota po opakovaném promíchání při měření nevystupuje nad 40 °C, je to znakem vyčerpání využitelné energie pro procesy v mase a proces končí. V tom případě masa dosáhla vrcholu svých možností a může se využít jako palivo. Není nevyhnutelné vždy čekat na dosažení tohoto stavu, proces je možné ukončit i dříve, ale vlastnosti paliva budou horší.

Toto palivo lze před použitím třídit, drtit, přidávat k němu další přísady pro vylepšení parametrů, případně dosoušet a granulovat, extrudovat atd. Podle charakteru vstupních látek, zejména s ohledem na škodliviny v nich obsažené, se provádí rozbor zaměřený na kontrolu chemických a fýzikálních vlastností paliva a na kontrolu odstranění škodlivin, v ideálním případě na jejich úplnou degradaci na nezávadné látky.

Konkrétní příkladná složení masy použité k výrobě paliva podle vynálezu, která jsou podrobena uvedenému postupu.

Příklad 1

Složení masy o celkové hmotnosti 126 000 kg:

000 kg anaerobně stabilizované kaly la5 z čistírny odpadních vod,

000 kg produkt lc6 z bioplynových stanic - digestát,

000 kg fýtomasa 2a2 - pšeničná sláma,

000 kg dendromasa 2a 1 - dřevní štěpka.

Z důvodu úpravy parametrů bylo po 10 dnech přidáno:

6000 kg piliny 3al a hobliny - dřevěné piliny,

000 kg dendromasa 2al - dřevní štěpka.

Počáteční vlhkost masy: 62,3 % hmota.

Proces chemicko-biologického samozahřívání trval 29 dní.

Vlhkost před spálením výsledného materiálu - paliva: 33,6 % hmota.

Výhřevnost: 9,52 MJ/kg.

-9CZ 308795 B6

Příklad 2

Složení masy o celkové hmotnosti 108 000 kg:

000 kg surové kaly la4 z čistírny odpadních vod,

000 kg důlní kaly 3b.

000 kgfýtomasa 2a2 - pšeničná sláma,

2000 kg posekaná tráva 3a5,

000 kg dendromasa 2a 1 - dřevní štěpka,

4000 kg otruby 3a4 - obilné plevy,

Počáteční vlhkost masy: 64,2 % hmota.

Proces chemicko-biologického samozahřívání trval 19 dní.

Vlhkost před spálením výsledného materiálu - paliva: 43,5 % hmota.

Výhřevnost: 7,34 MJ/kg.

Příklad 3

Složení masy o celkové hmotnosti 110 000 kg:

000 kg anaerobně stabilizované kaly la5 z čistírny odpadních vod,

6000 kg kravský chlévský hnůj lb3.

000 kg dendromasa 2al - stromové listí,

000 kg slámová drť 3a2 - jemná drť řepkové slámy,

000 kg_dendromasa 2al - dřevní štěpka,

2000 kg gumové výrobky 3c2 - drcené pneumatiky.

Počáteční vlhkost masy: 66,1 % hmota.

Proces chemicko-biologického samozahřívání trval 18 dní.

Vlhkost před spálením výsledného materiálu - paliva: 54,9 % hmota.

Výhřevnost: 6,78 MJ/kg.

Příklad 4

Složení masy o celkové hmotnosti 102 000 kg:

000 kg kaly Ibl z výroby buničiny a papíru,

000 kg živné půdy lc5 z biotechnologické výroby - deaktivovaná, z farmaceutické výroby,

000 kg kaly lb4 z jiné výroby - z průmyslové čistírny odpadních vod z farmaceutické výroby,

000 kg_dendromasa 2al - dřevní štěpka,

3000 kg posekaná tráva 3a5,

4000 kg nápojové a potravinové obaly 2b4 - podrcené obaly typu TetraPak,

6000 kg drcený karton 2b2.

Počáteční vlhkost masy: 61,8 % hmota.

Proces chemicko-biologického samozahřívání trval 21 dní.

- 10CZ 308795 B6

Vlhkost před spálením výsledného materiálu - paliva: 45,5 % hmota.

Výhřevnost: 7,24 MJ/kg.

Příklad 5

Složení masy o celkové hmotnosti 106 000 kg:

000 kg anaerobně stabilizované kaly la5 z čistírny odpadních vod,

2000 kg odpady 3c3 z koželužské výroby- mázdra, podkožní tak a chlupy ze zpracování hovězích kůží,

000 kg dendromasa 2al - stromová kůra,

000 kg sběrový papír 2b 1 a drcený karton 2b2 - netříděná drcená směs,

2000 kg senáž lei,

8000 kg přebytky lc8 z potravin - tuhý odpad z výroby sladkého a slaného pečivá ve formě úlomků výrobků nesplňujících kvalitativní parametry a vzorky odebírané v průběhu výroby,

6000 kg dendromasa 2al - biologicky rozložitelný odpad z ovocného sadu v podobě větví, listů, odřezků stromů,

2000 kg posekaná tráva 3a5 a ovocné plody lc2 - z ovocného sadu.

Počáteční vlhkost masy: 67,2 % hmota.

Proces chemicko-biologického samozahřívání trval 42 dní.

Vlhkost před spálením výsledného materiálu - paliva: 39,4 % hmota.

Výhřevnost: 8,58 MJ/kg.

Průmyslová využitelnost

Složení masy odpadních materiálů podle technického řešení pro výrobu paliva k přímému spalování, a způsob výroby tohoto paliva jsou určeny pro průmyslovou likvidaci biologických odpadů a zároveň výrobu paliva k přímému spalování nebo k další úpravě.

Claims

1. Způsob výroby paliva k přímému spalování z masy odpadních materiálů biologického původu, která obsahuje alespoň jednak šťavnaté látky kalového charakteru s obsahem vody 5 až 98 % hmota, jako zdroj inokula mikroflóry a zdroj vody, jednak alespoň 15 % celkové hmotnosti masy nešťavnaté látky lignocelulózového původu, jako zdroj redukčních činidel a zdroj strukturálních materiálů, vyznačující se tím, že jednotlivé komponenty se pro vytvoření masy ukládají v běžných atmosférických podmínkách do vrstev při vytvoření startovací vlhkost masy 40 až 70 % hmota, masy, která musí obsahovat minimálně 25 % hmota, organických látek a dosáhnout sypkosti dovolující samostatné udržení vršeného tvaru,

- kde šťavnatými látkami (1) je alespoň jeden druh látek kalového charakteru, jako jsou kaly (la) z čistíren městských odpadních vod a/nebo kaly (1b) z čistíren průmyslových odpadních vod a/nebo materiály (1 c) méně kalového charakteru, které j sou tvořeny kapalnou fází a pevnou fází dispergovanou v kapalné fázi,

- a kde nešťavnatými látkami (2) jsou materiály s obsahem celulózy s frakcí 15 až 750 mm, jako jsou lignocelulózové materiály (2a) a/nebo obaly (2b) a jejich části z obchodní a/nebo komunální sféry a/nebo jiné materiály (2c) s obsahem celulózy,

- přičemž se jednotlivé komponenty vybírají a/nebo doplňují podle obsahu vlhkosti pro vytvoření startovací vlhkosti,

- načež se mechanicky promíchají do homogenního složení a do rovnoměrného rozložení vlhkosti a navrší se jako masa do útvaru o maximální výšce 4 m, která po sesednutí klesne na požadovanou výšku maximálně 3 m,

- načež se sleduje povrchové vysychání masy související s úlety hmoty, kde při vznikajících úletech se masa mechanicky a/nebo pneumaticky promíchává a tím znovu zhomogenizuje, a zároveň se sledují úniky výluhů ze spodní části masy, kde při vzniku výluhů, z důvodu přílišného sesednutí nebo prosáknutí vlhkosti do spodní vrstvy, se masa opět mechanicky a/nebo pneumaticky promíchá a znovu homogenizuje s výluhy, také se zároveň sleduje vývoj teploty v oblasti minimálně 0,8 m nad základnou a minimálně 0,8 m pod povrchem masy, přičemž při předčasné stagnaci teploty se masa opakovaně promíchá,

- načež proces končí po proběhnutí fyzikálních a chemických změn v mase výchozích materiálů po zastavení teplotních výkyvů na stabilní teplotě maximálně 40 °C, kdy je výsledným materiálem palivo k přímému spalování.

2. Způsob výroby paliva podle nároku 1, vyznačující se tím, že do masy odpadních materiálů jsou voleny kaly (la) z čistíren městských odpadních vod, které jsou vybrány ze skupiny kalů: primární kaly (lal), sekundární kaly (la2), terciální kaly (la3), surové kaly (la4), anaerobně stabilizované kaly (la5), aerobně stabilizované kaly (laó), chemicky stabilizované kaly (la7), fýzikálně stabilizované kaly (la8), odvodněné kaly (la9), kaly (1b) z čistíren průmyslových odpadních vod jsou vybrány ze skupiny kalů: kaly (1b 1) z výroby buničiny a papíru, kaly (lb2) z výroby překližek a odpadní vlákna z výroby dřevovláknitých desek, chlévský hnůj (lb3), exkrementy, podestýlky, kaly (lb4) z jiné výroby, materiály (1c) méně kalového charakteru jsou vybrány ze skupiny materiálů: mršiny (lei), siláže, senáže, plody (lc2), rostlinné tuky (lc3) a oleje, zbytky (lc4) z výroby agaru a želatiny, živné půdy (lc5) z biotechnologické výroby, produkty (lc6) z bioplynových stanic, vodní rostliny (lc7) a živočichové, odpady (lc8) apřebytky z potravin.

3. Způsob výroby paliva podle nároku 1, vyznačující se tím, že do masy odpadních materiálů jsou jako lignocelulózové materiály (2a) voleny: dendromasa (2al) a/nebo fytomasa (2a2), obaly

- 12CZ 308795 B6 (2b) ajejich části z obchodní a/nebo komunální sféry jsou voleny ze skupiny materiálů: papír (2bl), karton (2b2), lepenka (2b3), nápojové a potravinové obaly (2b4) z kombinovaných materiálů jako jsou TetraPaky, jiné materiály (2c) jsou vybrány ze skupiny materiálů: bankovky (2cl), výrobky z buničiny (2c2).