PL210195B1 - Urządzenie do osuszania produktów, w szczególności szlamu - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do osuszania produktów, w szczególności szlamu, pochodzących z miejskich i przemysłowych oczyszczalni ścieków, oraz przedstawia urządzenie suszące, wykorzystujące energię słoneczną.

Jak wiadomo szlam ściekowy jest nieuniknionym produktem odpadowym podczas procesu oczyszczania wody: na każdą osobę przypada średnio około 20 kilogramów szlamu rocznie, co daje, w Europie, ponad 10 milionów ton rocznie samego suchego produktu, a to jest 50 milionów ton świeżego osadu, na który składa się 80% wody i 20% suchej materii.

Obecnie istnieje kilka możliwych zastosowań szlamu, w szczególności: wyrównywanie wgłębień terenu poprzez zasypywanie odpadkami, spopielanie i rozmieszczanie na powierzchni terenu. W każdym z tych przypadków suszenie masy szlamowej jest podstawowym etapem, który umożliwia czterokrotne zmniejszenie objętości masy do magazynowania, transportu i rozmieszczenia. Jednakże, ze względu na szereg restrykcji (w szczególności technicznych, zdrowotnych, prawnych, itp.) takie metody wykorzystania szlamu są bardzo skomplikowane i przez to bardzo kosztowne, a w niektórych miejscach mogą być kwestionowane, jeśli nie zabronione.

Stwierdzono wciąż rosnące zapotrzebowanie na suszenie, które ma znaczący udział w całkowitych kosztach procesu wykorzystywania odpadów produkcyjnych, reprezentowanych przez biologiczny szlam, pochodzący z oczyszczalni ścieków. Udział ten w budżecie oczyszczalni wzrasta, gdy wydajność oczyszczalni maleje.

Większość urządzeń suszących szlam to urządzenia termiczne. Pochłaniają one ogromne ilości energii (średnio 1000 kWh na tonę wyparowanej wody), w szczególności paliw kopalnych i wymagają obecności wykwalifikowanego personelu oraz wysokich kosztów inwestycyjnych. Z tego powodu rozwiązania te, biorąc pod uwagę obecny stan techniki, są ze względów ekonomicznych nieodpowiednie dla mało i średnio wydajnych oczyszczalni.

Przewiduje się także możliwość suszenia szlamu przy zastosowaniu promieniowania słonecznego. Ta metoda jest o tyle korzystna, że wykorzystuje odnawialne źródło energii i jest prosta w swojej konstrukcji i technologii. Wykorzystuje się w niej szklarnie, takie same jak stosowane w ogrodnictwie. W celu ulepszenia procesu suszenia, szklarnie te wyposaż one są w urzą dzenia do przewracania suszonej masy szlamowej, a nawet jej przemieszczania wzdłuż urządzenia suszącego. Dzięki temu kontakt z powietrzem ma zawsze mokra warstwa suszonego produktu, co zapobiega tworzeniu się skorupy na powierzchni masy szlamowej oraz polepsza wydajność parowania wody w procesie suszenia.

W stosowanych obecnie ukł adach suszą cych z wykorzystaniem energii sł onecznej, parowanie wody z suszonego szlamu uzyskuje się poprzez znane zjawisko naturalnej konwekcji, wzbudzanej dzięki różnicom w gęstości powietrza w szklarni (te różnice spowodowane są gradientami temperatury i wilgotności); tego typu słoneczne układy suszące wyposażone są czasami w wentylatory, mające na celu wymuszenie cyrkulacji i wymiany gazów w atmosferze układów suszących (konwekcja wymuszona).

Obecnie wentylatory te umieszczane są w górnej części szklarni (na „dachu”), a ich praca jest dozowana, tak, aby wymienić określoną ilość powietrza, z całkowitego powietrza znajdującego się w szklarni. Koszt „wymuszonej wentylacji zawiera się pomię dzy 25 a 50% cał kowitej energii, zuż ytej na pracę urządzenia suszącego, dlatego też przeprowadzono badania nad optymalizacją procesu. Wynika z nich, że największy wpływ na wydajność parowania ma wymiana warstwy powietrza znajdującej się w bezpośrednim kontakcie z warstwą suszonego szlamu.

Ciągłość pracy słonecznego urządzenia suszącego jest uzależniona od stanów pogody w miejscu, gdzie to urządzenie się znajduje. Co więcej praca wyposażenia suszącego jest mocno ograniczona w nocy i w zimie. Dostępność w ciągu roku nie przekracza 30% czasu. Dodatkowo, przyjmuje się, że klimacie umiarkowanym, 70% ilości wody z masy szlamowej, paruje podczas 3 najcieplejszych miesięcy w roku.

Różnorakie wymagania czynią koniecznym zwiększenie rozmiarów suszarni, w celu zapewnienia dużej powierzchni do suszenia, przy stosunkowo małej ilości uzyskiwanego szlamu. W zależności od regionu w jakim znajduje się suszarnia oraz od stopnia optymalizacji procesu, powierzchnia w słonecznym urządzeniu suszącym waha się pomiędzy 0,3 a 1 m² na tonę szlamu suszonego (początkowa zawartość masy stałej 25% i końcowa zawartość masy stałej 75%).

Praca słonecznego urządzenia suszącego jest kontrolowana poprzez zmiany jednego lub kilku parametrów, w szczególności promieniowania słonecznego, temperatury powietrza lub wilgotności powietrza w wewnątrz i na zewnątrz szklarni.

PL 210 195 B1

Zatem uruchomienie systemu jest uzależnione od zdolności powietrza do suszenia, a nie ze względu na częściowe ciśnienie pary wodnej na powierzchni szlamu.

Kolejną wadą rozwiązań słonecznych urządzeń suszących przy obecnym stanie techniki, jest fakt, że podawanie masy szlamowej na końcu suszarni następuje przy użyciu ruchomego urządzenia ładującego, np. traktora na gąsienicy, wyposażonego w ruchomą łyżkę. Szlam jest rozmieszczany w miarę równych stosach u wlotu szklarni, a warstwa szlamu nie jest zoptymalizowana i zintegrowana ze strefą suszenia.

Wychodząc od stanu techniki opisanego powyżej, prezentowany wynalazek dotyczy słonecznego urządzenia suszącego, umożliwiającego zredukowanie czasu suszenia oraz zmniejszenie zużycia energii.

Tak więc wynalazek dotyczy urządzenia do osuszania produktów, w szczególności szlamu, pochodzących z miejskich i przemysłowych oczyszczalni ścieków, wykorzystującego energię słoneczną, pobieraną dzięki zastosowaniu szklarni, składającej się z płyty lub podłogi, na której ułożona jest do suszenia warstwa szlamu, ze środków służących do przewracania i przesuwania szlamu na wspomnianej płycie, wzdłuż urządzenia suszącego, które dodatkowo wyposażone są w wentylatory do wymiany powietrza w omawianej szklarni, przy czym istota wynalazku polega na tym, że wentylatory usytuowane są na środkach do przewracania i przesuwania masy szlamowej. Ponadto istotą tego wynalazku jest wprowadzenie systemu wsysania i wysysania powietrza, umieszczonego na szczycie szklarni. Pozostałe cechy charakterystyczne i zalety wynalazku przedstawione zostały w poniższym opisie, z odniesieniem do załączonego rysunku, który ilustruje nieograniczone możliwości wcielenia tego wynalazku w życie.

Na rysunku:

- fig. 1 jest schematycznym widokiem w perspektywie urządzenia suszącego, według wynalazku

- fig. 2 jest przekrojem pionowym, w powię kszonej skali, wynalazku pokazanego na fig. 1

- fig. 3 przedstawia inną postać wynalazku w przekroju

- fig. 4 w podobnym widoku co na fig. 1 pokazuje inną moż liwość wprowadzenia wynalazku do użytku

Na fig. 1 zostały pokazane następujące elementy: numerem 1 oznaczona została szklarnia urządzenia suszącego, która usytuowana jest na płycie 2, na której ułożona jest warstwa szlamu 3 do osuszenia. Ścianki 5 ograniczają po bokach powierzchnię, na której umieszczona jest warstwa. Na tej fig. 1, numerem 4 oznaczono urządzenie, które zapewnia przewracanie i przesuwanie warstwy masy szlamowej 3 po powierzchni 2.

Według wynalazku wentylatory 6 zapewniające wymianę powietrza w szklarni 1 są umieszczone na napędzanej silnikiem ramie 7 urządzenia 4, będącego na przykład spulchniarką. Dzięki takiemu rozmieszczeniu wymiana powietrza w osuszanym szlamie jest optymalna: jest oczywistym, że tylko powietrze w kontakcie z warstwą szlamu 3 pobiera wilgoć z masy szlamowej. Obecność wentylatorów w pobliżu warstwy 3 pozwala ograniczyć przestrzeń ponad warstwą 3 potrzebną do przepływu powietrza nad warstwą 3. Zamocowanie wentylatorów 6 na ramie spulchniarki 4 umożliwia wentylację świeżo przemieszczonej masy, w każdym kierunku przesuwu spulchniarki. W tym wynalazku może być zastosowany system umożliwiający wybór wentylatorów, które mają być uruchomione, tak, aby zoptymalizować skutki osuszania.

Dodatkową zaletą powyższego rozwiązania, oprócz optymalizacji wymiany powietrza, jest zwiększanie prędkości powietrza przy kontakcie ze szlamem. Pozwala to na zredukowanie czasu suszenia, przy jednoczesnym zmniejszeniu zużycia energii, gdyż strumień powietrza skierowany jest bezpośrednio na strefę osuszaną, a nie jest rozproszony po całej objętości powietrza, znajdującego się w szklarni, jak to ma miejsce przy obecnym stanie techniki.

Zatem w szklarni, do której przez otwór o wielkości 35 m² doprowadzane jest 30 000 m³/h powietrza, średnia prędkość powietrza wynosi 0,24 m/s (nie wliczając naturalnej konwekcji). Przy takiej samej wartości przepływu powietrza w pobliżu warstwy szlamu, według wynalazku (wentylatory 6 w odległości rzędu 1 do 1,5 m od powierzchni szlamu), prędkość powietrza w kontakcie z mokrą warstwą szlamu może wzrosnąć od 2 do 4 razy.

W urządzeniu według wynalazku powietrze przepływa po powierzchni szlamu tak szybko jak jest on mieszany. Dzięki temu temperatura szlamu jest wyższa od otaczającego powietrza (efekt „czarnego ciała w osuszanej warstwie), a to wpływa na wzrost różnicy ciśnień pomiędzy przewracanym szlamem a powietrzem. Wymiana powietrza w komorze suszącej następuje dzięki naturalnej konwekcji, co jest bardziej efektywne, gdyż powietrze o dużej zawartości wilgoci jest lżejsze.

PL 210 195 B1

W tym wynalazku, z celu zapewnienia kontroli nad ruchem powietrza w szklarni, moż e być wprowadzony system dostarczania i odprowadzania powietrza, a więc wymiany medium, pokazany schematycznie na rysunku 1.

W przypadku tego wynalazku moż liwe jest również wprowadzenie dodatkowego systemu wentylacji poprzez podłoże. System ten pokazany został na fig. 3, na którym numerem 9 oznaczona jest rura, poprzez którą dostarczane jest powietrze z wentylatora 10. Rura ta wyprowadzona jest w warstwę szlamu 3 poprzez błonę z geowłókniny 11. System ten jest uruchamiany w drugiej połowie procesu, przez jaki przechodzi szlam w urządzeniu suszącym, tzn. w momencie kiedy szlam jest na tyle odwodniony, że zmienia się w granulat, a jego struktura nie jest zbita. Fakt, że w tym wynalazku powietrze wstrzykiwane jest poprzez membranę z geowłókniny sprawia gwałtowne usunięcie frakcji międzycząsteczkowej wilgoci w szlamie, która to wilgoć zostaje natychmiast przechwycona przez strumień powietrza, wywołany przez wentylatory 6, zamocowane na ramie spulchniarki 4. Wykonane prototypy tego wynalazku dowiodły, że wartość przepływu powietrza maleje do wartości rzędu 0,05 do 5 m³/m²/s, co ogranicza prędkość powietrza do punktu, poniżej którego wytwarza się pył.

W tym wynalazku proces włączania i wyłączania oraz automatyczna kontrola ruchomych elementów (ramy spulchniarki 4, wentylatorów 6, 10, urządzenia do wsysania i wysysania powietrza 8 może być zintegrowany z pomiarem temperatury na powierzchni warstwy szlamu 3 przy użyciu metod długoterminowego zapisu pomiarów temperatury, wykorzystującego na przykład detektory podczerwieni. Można to również połączyć z pomiarem różnic temperatur pomiędzy powierzchnią osuszanej warstwy a powietrzem w szklarni, tak aby sprzęt uruchamiany był, gdy różnica ta wyniesie co najmniej 3°C, tzn. T = (Twarstwy osuszanej - Tpowietrza) > +3°C.

Wynalazek umożliwia również pomiar względnej wilgotności powietrza na zewnątrz szklarni oraz wprowadzenie takich ustawień, dla których wszystkie ruchome elementy są włączane, gdy względna wilgotność jest mniejsza niż na przykład 80%.

Wreszcie, możliwe jest również zintegrowanie pomiarów różnicy temperatur T°C i względnej wilgotności zewnętrznej, tak, aby osiągnięcie przez któreś z tych parametrów wartości wcześniej określonej spowodowało uruchomienie urządzenia.

Na fig. 4 pokazano alternatywny sposób doprowadzania szlamu, przy użyciu pompy dozującej 12 oraz systemu przenoszenia i rozprowadzania szlamu 13, mający zapewnić optymalne rozmieszczenie szlamu u wlotu urządzenia suszącego. System rozmieszczania 13 umożliwia ułożenie szlamu jako jednorodnej warstwy na całej szerokości szklarni w sposób kontrolowany i zautomatyzowany według wymagań.

W tym wynalazku możliwe jest również zastosowanie promienników płytowych, promienników rurowych oraz innych systemów ogrzewania dużych budynków w celu zapewnienia ogrzewania powierzchni szlamu.

W przykładzie pokazanym na fig. 4, promiennik rurowy oznaczony został numerem 14. Do uzyskania energii potrzebnej do ogrzania rury można użyć gazu palnego (doprowadzanego przez rurę 15), biogaz lub inne środki do wytwarzania odnawialnej lub nieodnawialnej energii.

Użycie techniki ogrzewania promiennikami jest korzystne przy ogrzewaniu szlamu efektem promieniowania podczerwonego, gdyż ciepło wydzielane jest głównie na powierzchnie warstwy szlamowej 3 bez znacznego ogrzewania otaczającego powietrza. Ilość powietrza, przemieszczona poprzez naturalną i wymuszoną konwekcję będzie miała stosunkowo mały wpływ na wzrost temperatury powierzchni warstwy szlamowej. Promieniowanie podczerwone pozwala zatem na symulowanie całodobowego efektu promieniowania słonecznego, niezależnego od pory roku, warunków pogodowych itd. Powierzchnia urządzenia suszącego może być w takim przypadku zredukowana 1,5 do 3 razy.

Jest oczywistym, że opisany wynalazek znajduje o wiele więcej alternatywnych form zastosowania niż te podane powyżej.

Claims (10)

1. Urządzenie do osuszania produktów, w szczególności szlamu, pochodzących z miejskich i przemysłowych oczyszczalni ścieków, wykorzystujące energię słoneczną, pobieraną dzięki zastosowaniu szklarni, składające się z płyty lub podłogi, na której ułożona jest do suszenia warstwa szlamu oraz ze środków służących do przewracania i przesuwania szlamu na wspomnianej płycie, wzdłuż

PL 210 195 B1 urządzenia suszącego, które dodatkowo wyposażone są w wentylatory do wymiany powietrza w omawianej szklarni, znamienne tym, że wentylatory (6) usytuowane są na środkach (4) do przewracania i przesuwania masy szlamowej.

2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że dodatkowo zawiera system wsysania i wysysania powietrza (8), usytuowany na szczycie szklarni (1).

3. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że zawiera dodatkowy system do wentylacji przez podłoże (10, 9, 11), uruchamiany w drugiej połowie procesu, przez jaki przechodzi szlam w urządzeniu suszącym.

4. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że ten dodatkowy system do wentylacji przez podłoże zawiera wentylator (10), który wdmuchuje powietrze w rurę (9), która wychodzi przez płytę (2) poprzez membranę z geowłókniny (11).

5. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, albo 4, znamienne tym, że jest wyposażone w środki do korelacji pracy, tzn. włączania i wyłączania oraz automatycznej kontroli wszystkich ruchomych elementów z pomiarem temperatury na powierzchni warstwy szlamu (3).

6. Urządzenie według zastrz. 5, znamienne tym, że korelujące środki reagują również na różnice temperatur pomiędzy powierzchnią suszonego szlamu a powietrzem obecnym w urządzeniu suszącym, tak, aby osiągnięcie przez tą różnicę temperatury wartości wcześniej określonej spowodowało uruchomienie urządzenia.

7. Urządzenie według zastrz. 5, znamienne tym, że korelujące środki reagują na względną wilgotność powietrza znajdującego się na zewnątrz szklarni, a także ustalona jest wartość tej wilgotności, poniżej której urządzenie jest uruchamiane.

8. Urządzenie według zastrz. 6 albo 7, znamienne tym, że pomiary różnic temperatury i względnej wilgotności powietrza zewnętrznego są zintegrowane, tak, aby osiągnięcie przez któreś z tych parametrów wartości wcześniej określonej spowodowało uruchomienie urządzenia.

9. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, albo 6, albo 7, znamienne tym, że celem optymalnego rozmieszczenia i rozłożenia szlamu w jednorodnej warstwie na całej szerokości szklarni jest wyposażone w system doprowadzania szlamu, przy użyciu pompy dozującej (12) oraz środków do rozprowadzania szlamu (13).

10. Urządzenie według jednego z poprzednich zastrz. znamienne tym, że dodatkowo jest wyposażone w system ogrzewający, w szczególności promienniki płytowe i rurowe, dzięki którym możliwe jest ogrzewanie górnej powierzchni warstwy szlamu poprzez promieniowanie podczerwone.