CZ32705U1 - Zařízení pro integraci energetického a materiálového využití kalů - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká zpracování čistírenských kalů s energetickým a materiálovým využitím.

Dosavadní stav techniky

Čistírenské kaly vznikají jako odpadní produkt při procesu čištění odpadních vod a podléhají zákonu o odpadech. Cílem odpadového hospodářství Evropské unie je přednostní energetické a materiálové využití odpadních produktů před jejich prostou likvidací ve smyslu hierarchie nakládání s odpady. V případě čistírenských kalů je materiálového využití dosaženo přímou aplikací na zemědělskou půdu, kdy dochází k obohacování půdy o živiny přítomné v kalu. Nicméně během procesu čištění odpadních vod přechází až 80 % celkového znečištění vod do kalu, který však obsahuje i řadu perzistentních organických sloučenin (léčiva, hormony, produkty osobní péče atd.), těžkých kovů a mikročástic plastů. Tyto sloučeniny jsou pro životní prostředí a v konečném důsledku i pro člověka škodlivé. Z tohoto důvodu dochází ke zpřísňování legislativních podmínek v oblastí nakládání s kaly a je potřeba vyvíjet nové technologické postupy, které zajistí jejích hygienizaci a odstranění polutantů čímž umožní jejich další využití.

V současné době je na většině ČOV kal stabilizován a částečně hygienizován procesem mezofilní/termofilní anaerobní stabilizace. Vyhnilý kal je následně za úplatu předán externí společnosti, která zajistí jeho likvidaci, přičemž se nejčastěji jedná o kompostování (37 %) a přímou aplikaci na zemědělskou půdu (36 %). V České republice právě probíhá přechodné období stanovené vyhláškou č. 437/2016 Sb., o podmínkách použití upravených kalů na zemědělské půdě, kdy od roku 2020 bude možné na zemědělskou půdu aplikovat pouze kal kategorie I, zároveň tato vyhláška ukládá provozovatelům ČOV povinnost ověřovat účinnost hygienizace kalů.

Současné metody úpravy kalů jsou z hlediska úrovně hygienizace požadované legislativou nedostatečné. Účinným způsobem hygienizace je proces termického sušení, během kterého dochází k eliminaci bakterií, čímž je zajištěno splnění mikrobiologických podmínek. Zároveň je při tomto procesu významně snížena hmotnost kalu. Nicméně termické sušení nijak nemění obsah polutantů, a naopak dochází k jejich koncentrování. Znečištění organickými látkami je možné odstranit termickou úpravou kalu. Nejčastěji jsou čistírenské kaly spalovány v reaktorech s fluidním ložem (obvykle tvořené pískem) při teplotě 750 až 925 °C. Mezi další běžné možnosti spalování kalů patří spalování v rotačních, etážových či výtavných pecích. Produkty spalování čistírenského kalu jsou popel a spaliny, jejichž teplo je možné energeticky využít. Ve zbytku po spalování zůstává většina těžkých kovů a také do něj přechází většina fosforu.

Právě snaha o další využití fosforu představuje možnost materiálového využití kalu. Fosfor se běžně používá jako součást hnojiv a je od roku 2014 zapsán na seznamu kritických surovin Evropské unie, a to z důvodu, že EU je zcela závislá na dovozu této komodity. Již nyní je vyvinuta celá řada metod, nicméně většina pouze v laboratorním měřítku. Minimální část je vyzkoušena v poloprovozním měřítku a pouze pár je testováno v plném provozu, přičemž v tomto případě se jedná o metody s velmi nízkou účinností recyklace fosforu.

Omezujícím krokem pro převedení metod do průmyslového měřítka je cena výsledného produktu (fosforu), která v současné době třikrát převyšuje cenu dováženého apatitu - fosfátové rudy. Z odpadní vody je možné získávat fosfor pomocí srážecích metod, přičemž nejběžnější způsob je srážení ve formě struvitu. Druhou cestou je recyklace z přímo z čistírenských kalů - většina metod je založena na kyselé extrakci a následné separaci fosforečného produktu. Třetím způsobem jsou hydrometalurgické a termo-metalurgické postupy získávání fosforu z popela po

- 1 CZ 32705 U1 spálení kalu.

V mnoha zemích, např. I v České republice není sušení ani termická úprava kalů běžnou záležitostí. Na území ČR jsou v provozu pouze dvě sušárny kalů a provozuschopné zařízení na monospalování kalu se zde nenachází.

Cílem technického řešení je představit zařízení pro integraci energetického a materiálového využití kalů, které by umožňovalo integrovat několik uzlů pro zpracování kalu pro zmíněné energetické využití při termickém zpracování a materiálové využití kalu jako hnojivá.

Podstata technického řešení

Výše zmíněné nedostatky odstraňuje zařízení umožňující integraci energetického a materiálového využití kalů podle technického řešení, jehož podstata spočívá v tom, že obsahuje sklad odvodněného čistírenského kalu se šnekovým dopravníkem na jeho dně, přičemž ve skladu je uspořádaná hydraulická jednotka pro posuv kalu a z něj vede dopravník pro dopravu kalu do mísícího distributoru pro promíchání, homogenizaci a vytvoření částic kalu o vhodné granulometrii, přičemž na distributor je napojen zásobník aditiva a distributor je napojen na sušárnu s výkonovým hořákem, přičemž od výsypky sušárny je uspořádáno vedení vysušeného kalu ústící přes šnekový dopravník do spalovací pece s hořákem, která je zpětně spojena se sušárnou pomocí vedení sušícího média, dále jez výsypky sušárny vyvedeno vedení pro odpadní plyn, které vede do odprašovacího zařízení, přičemž z něj vede zpětné vedení tuhých znečišťujících látek do distributoru, přičemž za odprašovacím zařízením jsou uspořádány dvě větve pro odvod brýdových par, kdy první větev je zavedena zpět do spalovací pece a z ní odbočená druhá větev je zavedena do pračky brýdových par sestávající z mokré absorpčně chemisorpční vypírky s kyselým stupněm a zásaditým stupněm, přičemž do pračky je zaústěno vedení roztoku kyseliny sírové, dále vedení roztoku hydroxidu sodného a vedením roztoku peroxidu vodíku, přičemž z pračky je vyvedeno vedení vyčištěných par, ve kterém je uspořádán spalinový ventilátor, a toto vedení je potom napojeno na komín a z pračky je uspořádáno výstupní vedení odpadní vody, přičemž ze spalovací pece je uspořádána výpusť popela a za ní je série chlazených šnekových dopravníků s rotačním podavačem a tyto dopravníky jsou zaústěny do uzavřeného zásobního kontejneru.

Objasnění výkresů

Technické řešení bude dále přiblíženo pomocí výkresu, na kterém obr. 1 představuje schéma zařízení pro integrací energetického a materiálového využití kalů podle technického řešení.

Příklady uskutečnění technického řešení

Na obr. 1 je schéma zařízení 18 pro integraci energetického a materiálového využití kalů podle technického řešení. Odvodněný čistírenský kal ČK s asi 20 až 30 % hmotn. obsahem sušiny je dopravován ze skladu 1 odvodněného kalu šnekovým dopravníkem na jeho dně. Sklad 1 je spojen s hydraulickou jednotkou 21 pro posuv kalu. Na tento sklad 1 je napojen dopravník 2 pro dopravu kalu ČK do mísícího distributoru 3. V mísícím distributoru 3 dochází k nadávkování aditiva A, ze zásobníku 4 napojeného na distributor 3. V tomto distributoru 3 dochází k promíchání, homogenizaci a vytvoření částic kalu o vhodné granulometrii. Z distributoru 3 je kal s aditivem veden do sušárny 5. K sušení je zde využito teplo získané termickým zpracováním kalu, neboť do sušárny 5 je zaústěno zpětné vedení 19 sušícího média SM, které je vyvedeno ze spalovací pece 9. K sušení kalu tedy dochází přímým stykem kalu a sušícího média SM. Požadované teploty sušícího média SM je dosaženo smísením spalin s okolním vzduchem za výstupem ze spalovací pece 9.

-2CZ 32705 U1

Sušárna 5 má vhodně nastavenou zdržnou dobu a teplotu sušícího média, tak aby sušina na výstupu z pece byla minimálně 70 % hmotn. Tato úroveň sušiny zpravidla zajišťuje dostatečnou hygienizaci kalu. Kal je postupně sušen v důsledku jeho kontaktu se sušícím médiem SM, které přebírá odpařenou vodu a ta je ve formě vodní páry kontinuálně odváděna ze sušárny 5. Sušárna 5 pracuje v podtlaku, čímž je zabráněno neřízenému úniku sušicího média a odpadního plynu do okolí. Pro případ zahoření kalu je sušárna 5 na čele i výstupu opatřena bezpečnostní vodní tryskou. Po průchodu sušárnou je kal hygienizován a splňuje mikrobiologické limity ve smyslu vyhlášky č. 437/2016 Sb. Sušením kalu je zvýšena jeho výhřevnost tak, že je umožněno jeho přímé spálení.

V sušárně 5 je uspořádaný výkonový hořák 7 na zemní plyn nebo jiné vhodné palivo, jako je topný olej, přičemž jedna větev vedení 31 paliva P je zaústěna do hořáku 7 a druhá větev 21 vede k horáku 10 u spalovací pece 9. Výkonový hořák 7 funguje jako alternativní zdroj tepla, využívaný v okamžiku nájezdu, případně při nestandardních podmínkách. Hořák 10 slouží rovněž pro nájezd a odstavení celého zařízení a ke stabilizaci procesu hoření při nestandardních podmínkách.

Z výsypky 22 sušárny 5 vede ke spalovací peci 9 vedení 23 vysušeného kalu K na šnekový dopravník 8. Do spalovací pece 9 je přiváděn vzduch VZ vedením 33 a probíhá zde termická oxidace kalu.

Dále je zařízení 18 vybaveno odprašovacím zařízením 11 do kterého je zaústěno vedení 24 pro odpadní plyn OP ve formě brýdových par ze sušárny 5. V odprašovacím zařízení 11 dojde k odloučení tuhých znečišťujících částic. Po výstupu z odprašovacího zařízení 11 jsou brýdové páry rozděleny na dvě větve. První větev 25. tzv. recyklu R, je zavedena zpět do spalovací pece 9 a z ní odbočená druhá větev 20 vede do mokrého procesu čištění, tedy do pračky 12 brýdových par. Ta se skládá z mokré absorpčně chemlsorpční vypírky s kyselým a zásaditým stupněm 12a, 12b. Pomocí recyklu je zvýšená energetická účinnost procesu a snížena tvorba určitých polutantů.

V prvním stupni 12a je kyselé mokré čištění odpadního plynu zajištěno přiváděním 50% roztoku kyseliny sírové KS vedením 26. Během tohoto stupně dochází k absorpci zásaditých složek ve spalinách. V druhém stupni 12b je zásadité čištění, kdy je stupni přiváděn 30% roztok hydroxidu sodného HS vedením 27 a dochází k neutralizaci kyselých složek. K dosažení vyšší účinnosti čištění odpadního plynu může být dávkován také 35% roztok peroxidu vodíku vedením 28.

Dále je do pračky 12 a do sušárny 5 přiváděna užitková voda UV. Vyčištěné páry jsou odsávány spalinovým ventilátorem 13 vedením 29, které jez pračky 12 vyvedeno ven a přes komín 14 jsou páry volně vypouštěny do atmosféry. Z pračky je vedením 32 odváděna odpadní voda OV.

Ze spalovací pece 9 je odebírán popel PO, což je tuhý zbytek po spálení. Z konce spalovací pece 9 je uspořádána výpusť 35 popela a za ní série chlazených šnekových dopravníků 15 s rotačním podavačem 16 a tyto dopravníky 15 vedou do uzavřeného zásobního kontejneru 17.

Technologie materiálového a energetického využití kalů je tedy založena na principu sušení a následného termického oxidačního rozkladu vysušeného kalu K, který je aditivován vhodnými činidly. Aditivace kalu vede ke snížení obsahu těžkých kovů a ke zvýšení biodostupnosti fosforu. Produktem tohoto procesu je tuhý zbytek neboli popel, který obsahuje značně snížené množství těžkých kovů a vzhledem k biodostupné formě fosforu je možné jeho použití jako fosforečného minerálního hnojivá.

-3 CZ 32705 U1

Zařízení pro umožnění integrace energetického a materiálového využití kalů se skládá z několika uzlů:

Skladování a dávkování odvodněného kalu a aditiva pro materiálové využití kalu

Sušení čistírenského kalu ČK

Termické zpracování

Čištění brýdových par odváděných ze sušárny 5 kalu

Skladování a zpracování minerálního hnojivá.

Dochází ke sloučení operací sušení, energetického využití a aditivace za účelem snížení těžkých kovů a zvýšení biodostupnosti fosforu.

Průmyslová využitelnost

Zařízení pro integraci energetického a materiálového využití kalů umožňuje integrovat několik uzlů pro zpracování kalu a lze ho využít pro energii vznikající při termickém zpracování a dále lze využít zpracovaný kal jako hnojivo bohaté na fosfor.

NÁROKY NA OCHRANU

Claims (1)

1. Zařízení pro integraci energetického a materiálového využití kalů, s přívodem užitkové vody (UV) a paliva (P) pro hořáky, vyznačující se tím, že obsahuje sklad (1) odvodněného čistírenského kalu (ČK) se šnekovým dopravníkem na jeho dně, přičemž ve skladu (1) je uspořádaná hydraulická jednotka (21) pro posuv kalu a z něj vede dopravník (2) pro dopravu kalu (ČK) do mísícího distributoru (3) pro promíchání, homogenizaci a vytvoření částic kalu o vhodné granulometrii, přičemž na distributor (3) je napojen zásobník aditiva (A) a distributor (3) je napojen na sušárnu (5) s výkonovým hořákem (7), přičemž od výsypky (22) sušárny (5) je uspořádáno vedení (23) vysušeného kalu (K) ústící přes šnekový dopravník (8) do spalovací pece (9) s hořákem (10), která je zpětně spojena se sušárnou (5) pomocí vedení (19) sušícího média (SM), dále je z výsypky (22) sušárny (5) vyvedeno vedení (24) pro odpadní plyn (OP), které vede do odprašovacího zařízení (11), přičemž z něj vede zpětné vedení (34) tuhých znečišťujících látek do distributoru (3), přičemž za odprašovacím zařízením (11) jsou uspořádány dvě větve pro odvod brýdových par, kdy první větev (25) je zavedena zpět do spalovací pece (9) a z ní odbočená druhá větev (20) je zavedena do pračky (12) brýdových par sestávající z mokré absorpčně chemisorpční vypírky s kyselým stupněm (12a) a zásaditým stupněm (12b), přičemž do pračky (12) je zaústěno vedení (26) roztoku kyseliny sírové (KS), dále vedení (27) roztoku hydroxidu sodného (HS) a vedením (28) roztoku peroxidu vodíku, přičemž z pračky (12) je vyvedeno vedení (29) vyčištěných par, ve kterém je uspořádán spalinový ventilátor (13), a toto vedení (29) je potom napojeno na komín (14) a z pračky (12) je uspořádáno výstupní vedení (32) odpadní vody (OV), přičemž ze spalovací pece (9) je uspořádána výpusť (35) popela (PO) a za ní je série chlazených šnekových dopravníků (15) s rotačním podavačem (16) a tyto dopravníky (15) jsou zaústěny do uzavřeného zásobního kontejneru (17).