SK500402022A3 - Spôsob termickej karbonizácie komunálnych kalov a zariadenie na vykonanie tohto spôsobu - Google Patents

Abstract

Spôsob termickej karbonizácie komunálnych kalov spočíva v tom, že vysušený komunálny kal s obsahom sušiny 80 až 90 % je po zmiešaní s alkalickým reakčným činidlom dopravený do pracovného priestoru karbonizačného termického reaktora (3) s pracovnou teplotou 500 až 600 °C, rozdeleného na prvú teplotnú zónu (5) a druhú teplotnú zónu (6). Pri prechode reakčnej zmesi prvou teplotnou zónou (5) sa odparí zvyšková voda a časti organických látok zo vstupného kalu a vzniknutá plynná fáza je odvádzaná do kondenzátora (9). Pri prechode druhou teplotnou zónou (6) dochádza ku karbonizácii vysušeného kalu za vzniku karbonizovanej pevnej substancie, ktorá je odvedená cez chladený závitkový dopravník (11) do zásobníka (12).

Description

Oblasť techniky

Vynález sa týka spôsobu termickej karbonizácie komunálnych kalov a karbonizačného termického rektora na vykonanie tohto spôsobu.

Doterajší stav techniky

Doteraz sa kaly z komunálnych čističiek odpadových vôd využívajú na klasické „hnojenie, t. j. na polievanie pôdy tekutým kalom. Ďalší zo spôsobov je odvodňovanie kalu a jeho miešanie so zeleným bioodpadom a drevnou štiepkou na výrobu kompostu. Ani jeden z uvedených spôsobov spracovania nezaručuje likvidáciu obsiahnutých nežiaducich organických a anorganických látok v kale ČOV a tieto látky sa ďalej dostávajú do pôdy a sekundárne do pestovaných rastlín. Ďalší spôsob likvidácie kalov spočíva v spaľovaní zahustených kalov. Tento spôsob je energeticky veľmi nákladný a uvoľňujú sa pri ňom do ovzdušia emisie. Ďalším spôsobom je vysušenie komunálneho kalu a jeho uloženie na skládku komunálneho odpadu. Skládkovanie takto sušeného kalu je vzhľadom na poplatky výhodnejšie ako skládkovanie tekutého kalu. Odvodňovaním a sušením producent znižuje hmotnosť kalu, a tým si znižuje náklady na jeho likvidáciu. Na základe uvedených faktov vzniklo predmetné efektívne a ekologické technické riešenie.

Podstata vynálezu

Navrhovaný spôsob a zariadenie na termickú karbonizáciu komunálnych kalov za spolupôsobenia alkalického reakčného činidla rieši premenu komunálneho kalu na ekonomicky výhodnú surovinu karbonizovanú uhlíkovú surovinu.

Pred samotným uskutočnením spôsobu termickej karbonizácie komunálnych kalov podľa vynálezu sa výstupný kal ČOV (čistiareň odpadových vôd) s obsahom sušiny cca 2 % hmotn. mieša s flokulantom vločkovacie činidlo a následne sa obsiahnutá voda extrahuje lisovacími metódami. Po redukovaní vody na jej obsah približne 30 % hmotn. sa ďalším sušením obsah vody eliminuje na 10 % až 20 % hmotn.

Takto získaný vysušený komunálny kal sa podrobí termickej karbonizácii spôsobom podľa vynálezu, ktorého podstata spočíva v tom, že vysušený kal s obsahom sušiny 80 % hmotn. až 90 % hmotn. sa po zmiešaní so alkalickým reakčným činidlom v množstve 4 až 6 % hmotn. na množstvo sušiny vo vysušenom kale dopraví cez vstup do násypníka s extrúderom a odplynením. Pomocou dávkovacieho šneku poháňaného motorom zmes vysušeného komunálneho kalu a alkalického reakčného činidla vstupuje do pracovného priestoru karbonizačného termického reaktora s pracovnou teplotou 500 až 600 °C. Ohrev v pracovnom priestore karbonizačného termického reaktora je zabezpečený prostredníctvom elektrických špirál cez vonkajší plášť karbonizačného termického reaktora. Posun reakčnej zmesi v karbonizačnom termickom reaktore je zabezpečený šnekom poháňaným motorom. Karbonizačný termický reaktor má dve teplotné zóny, prvú teplotnú zónu I a druhú teplotnú zónu II. Pri prechode prvou teplotnou zónou I karbonizačného termického reaktora dochádza k odpareniu zvyškovej vody a časti organických látok zo vstupného kalu a táto plynná fáza je na konci prvej teplotnej zóny I odvádzaná potrubím do chladeného kondenzátora. Pri prechode reakčnej zmesi druhou teplotnou zónou II karbonizačného termického reaktora vplyvom tepla a alkalického reakčného činidla dochádza ku karbonizácii kalu a vytvoreniu karbonizovanej pevnej substancie. Vzniknutá karbonizovaná pevná substancia je na konci druhej teplotnej zóny II odvádzaná do chladeného šneku chladenou vodou a poháňaného motorom, karbonizovaná pevná substancia po prechode chladeným šnekom je odvádzaná do zásobníka pre karbonizovanú substanciu, ktorá má pevné skupenstvo a sypkú práškovú aj hrudkovitú formu.

V chladenom kondenzátore chladiacou vodou v dôsledku chladenia je časť plynnej fázy privedenej z karbonizačného termického reaktora kondenzovaná, následne sú kvapalná zložka a plynná zložka odvádzané do odlučovača, v ktorom sú oddelené obe zložky. Plynná zložka aj kvapalná zložka sa vracajú z odlučovača naspäť do systému ČOV na opätovné spracovanie.

Dôležitou zložkou pre spracovanie komunálneho kalu je použité alkalické reakčné činidlo. V prípade predmetného vynálezu alkalické reakčné činidlo pozostáva z alkalickej zmesi v množstve z 0,1 až 1,5 % hmotn. alkálií a zvyšok do 100 % hmotn. tvorí biomasa. Alkalickú zmes tvoria alkalické hydroxidy, hydroxidy alkalických zemín, alkalické uhličitany, uhličitany alkalických zemín, alkalické hydrouhličitany, hydrouhličitany alkalických zemín, alebo ich zmes. Biomasa pozostáva z lignocelulózy a/alebo celulózy vo forme zrna, drviny, pilín, slamy, vlákien alebo zberového papiera.

SK 50040-2022 A3

Zdržná doba v reaktore, ktorá sa mení v závislosti od obsahom sušiny vo vysušenom kale, je priemerne 15 minút.

Teplota vzniknutej karbonizovanej pevnej substancie po chladení nepresahuje 40 °C. Pri procese termickej karbonizácie komunálnych kalov sú okrem obsiahnutých mikroplastov karbonizované aj antibiotiká, antidepresíva, antikoncepcia, drogy a ničia sa a likvidujú aj obsiahnuté baktérie a vírusy. Vzniknuté množstvo karbonizovanej pevnej substancie na jednotku vstupnej suroviny - vysušeného kalu, predstavuje 65 až 75 % hmotn. v závislosti od obsahu sušiny a iných kvalitatívnych parametrov vstupujúceho vysušeného kalu. Uvedená hodnota sa vzťahuje na elementárny uhlík a o uhlík viazaný v nerozložených zvyšných organických látkach. Uhlík je využiteľný v rôznych sektoroch priemyslu, a hlavne už to nie je odpad, ale surovina pre priemysel a poľnohospodárstvo. Obsah uhlíka (voľného aj viazaného) v karbonizovanej pevnej substancii sa pohybuje v rozmedzí od 35 do 55 %.

Zariadenie na termickú karbonizáciu komunálnych kalov podľa vynálezu, pozostáva zo vstupu na dávkovanie vysušeného kalu a alkalického reakčného činidla, ústiaceho do násypníka s extrúderom a odplynením, ďalej z dávkovacieho šneku s motorom a karbonizačného termického reaktora. Dávkovací šnek ústí do priestoru karbonizačného termického reaktora na karbonizáciu vstupujúceho vysušeného kalu. Karbonizačný termický reaktor je vybavený šnekom poháňaný motorom na posun reakčnej zmesi karbonizačným termickým reaktorom, ktorý pozostáva z dvoch teplotných zón, prvej teplotnej zóny I a druhej teplotnej zóny II, vyhrievaných elektrickým ohrevom v plášti karbonizačného termického reaktora, na konci prvej teplotnej zóny I je odvod plynnej fázy z karbonizačného termického reaktora a na konci druhej teplotnej zóny I je výpusť na odvod vzniknutej karbonizovanej pevnej substancie na vstup do šneku s motorom a s chladením chladiacou vodou. Na konci šneku je výstup ochladenej pevnej karbonizovanej zmesi do jej zásobníka. Karbonizačný termický reaktor pomocou potrubia na plynnú zložku z termického reaktora je napojený na chladený kondenzátor na kondenzáciu časti plynnej fázy z karbonizačného termického reaktora a kondenzátor je prepojený na odlučovač na oddelenie kvapalnej a plynnej zložky, ktoré sú z odlučovača vedené do systému ČOV na ďalšie spracovanie.

Ovládanie a riadenie technologického procesu je riešené prostredníctvom programovateľného logického automatizovaného systému PLC (skratka z anglického Programmable logic controller). Spôsob spracovania komunálneho vysušeného kalu je možné pomocou uvedeného systému ovládať i diaľkovo, prebieha kontinuálne bez priameho riadenia obsluhou, pričom spotreba elektrickej energie je na úrovni cca 45 kW (0,45 kW/1 kg). Súčasťou PLC systému je predovšetkým meranie a regulácia teploty v obidvoch zónach karbonizačného termického reaktora, ako aj v šneku na chladenie vyrobenej karbonizovanej pevnej substancie, a v tej súvislosti meranie a regulácia chladiacej vody na chladenie uvedeného šneku ako aj na chladenie kondenzátora plynnej fázy.

Spôsob karbonizácie kalu za spolupôsobenia alkalického reakčného činidla a zariadenie na vykonanie tohto spôsobu je efektívne a ekologické riešenie zlepšenia životného prostredia tým, že sa komunálny kal, ktorý nemalou mierou zaťažuje životné prostredie, odstránením obsiahnutých mikroplastov, antidepresív, antikoncepcie, drog a likvidovaním baktérií a vírusov premení na karbonizovanú pevnú uhlíkovú substanciu, ktorá môže tvoriť vstupnú surovinu pre iné odvetvia priemyslu a poľnohospodárstvo. Karbonizovaná pevná uhlíková substancia je využiteľná v rôznych sektoroch priemyslu a poľnohospodárstva a už to nie je odpad, ale surovina.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Na obr. 1 je schematicky znázornené termické karbonizačné zariadenie.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Príklad 1

Komunálny kal vysušený známym spôsobom so sušinou 85 % hmotn. a 15 % hmotn. vody bol zmiešaný s alkalickým reakčným činidlom v množstve 4,5 % na množstvo sušiny komunálneho kalu. Reakčné činidlo bolo pripravené z NaOH v množstve 1,2 % a zvyšok do 100 % tvorila biomasa zložená z lignocelulózy. Takto vytvorená zmes komunálneho kalu a reakčného činidla bola vstupom 1 dopravená do násypníka 2 s extrúderom a odplynením a následne bola pomocou dávkovacieho šneku 4 poháňaného motorom 8 dopravená do pracovného priestoru termického rektora 3 s pracovnou teplotou 550 °C. Reakčná zmes sa posúvala v reaktore šnekom reaktora 3 poháňaným motorom 16. Termický reaktor 3 je rozdelený na teplotnú

SK 50040-2022 A3 zónu I 5 a teplotnú zónu II 6 s vyhrievaním v plášti termického reaktora. Po prechode teplotnou zónou I 5 dochádzalo k odpareniu zvyškovej vody a časti organických látok z kalu a táto plynná fáza sa na konci zóny I odviedla sa potrubím do kondenzátora 9. Termizovaná zmes sa následne posunula do teplotnej zóny II 6. Vplyvom tepla a reakčného alkalického činidla v zóne II 6 vznikla karbonizovaná pevná substancia. V chladenom kondenzátore 9 chladeného chladiacou vodou 7 plynná fáza čiastočne skondenzovala a kvapalná zložka 13 a plynná zložka 14 postúpili do odlučovača 10 a po ich oddelení v odlučovači 10 sa odviedli naspäť do systému ČOV na ďalšie procesné spracovanie. Vzniknutá karbonizovaná pevná substancia sa z termického reaktora 3 odviedla do chladeného šneku 11 poháňaného motorom 17 a chladeného chladiacou vodou 7 a na jeho konci výstupný produkt postúpil do zásobníka 12.

Príklad 2

Postup bol rovnaký ako v príklade 1, pričom sa použil vstupný kal so sušinou 90 % hmotn. a 10 % hmotn. vody, alkalické reakčné činidlo bolo použité v množstve 5 % na množstvo sušiny komunálneho kalu a jeho zloženie bolo 1,4 % KHCO3 a zvyšok do 100 % tvorila biomasa zložená z celulózy a pracovná teplota v reaktore bola 580 °C.

Príklad 3

Postup bol rovnaký ako v príklade 1, pričom sa použil vstupný kal so sušinou 80 % hmotn. a 20 % hmotn. vody, alkalické reakčné činidlo bolo použité v množstve 5,4 % na množstvo sušiny komunálneho kalu a jeho zloženie bolo 0,5 % KOH a zvyšok do 100 % tvorila biomasa zložená z lignocelulózy a slamy, a pracovná teplota v reaktore bola 520 °C.

Príklad 4

Postup bol rovnaký ako v príklade 1, pričom sa použil vstupný kal so sušinou 87 % hmotn. a 13 % hmotn. vody, alkalické reakčné činidlo bolo použité v množstve 5,2 % na množstvo sušiny komunálneho kalu a jeho zloženie bolo 1,2 % Na2CO3 a zvyšok do 100% tvorila biomasa zložená z celulózy a pilín, a pracovná teplota v reaktore bola 555°C.

Vo všetkých príkladoch zariadenie pracovalo v kontinuálnom režime.

Spôsobom spracovania komunálneho kalu podľa vynálezu sa získalo 65 až 75 % karbonizovanej pevnej substancie (na jednotku vstupnej suroviny - vysušeného komunálneho kalu) s obsahom 35 - 55 % uhlíka (viazaného aj neviazaného).

Priemyselná využiteľnosť

Spôsob a zariadenie na karbonizáciu komunálneho kalu podľa vynálezu možno využiť na ekologické a efektívne likvidovanie predmetných kalov. Produkt získaný karbonizáciou komunálneho kalu je využiteľný ako surovina pre priemysel a poľnohospodárstvo.

SK 50040-2022 A3

Zoznam vzťahových značiek

1. Vstup

2. Násypník s extrúderom a odplynením

3. Karbonizačný termický reaktor

4. Dávkovací šnek

5. Prvá teplotná zóna I karbonizačného termického reaktora

6. Druhá teplotná zóna II karbonizačného termického reaktora

7. Chladiaca voda

8. Motor pre šnek karbonizačného termického reaktora

9. Chladený kondenzátor

10. Odlučovač

11. Šnek pre chladenie a odvod pevnej karbonizovanej substancie

12. Zásobník pre pevnú karbonizovanú substanciu

13. Kvapalná fáza vracajúca sa do systému ČOV

14. Plynná fáza vracajúca sa do systému ČOV

15. Riadiaca elektronická jednotka

16. Motor pre dávkovací šnek

17. Motor pre šnek na chladenie a odvod karbonizovanej substancie

Claims (3)

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Spôsob termickej karbonizácie komunálnych kalov, vyznačujúci sa tým, že vysušený komunálny kal s obsahom sušiny 80 až 90 % hmotn. sa zmieša s alkalickým reakčným činidlom v množstve 4 až 6 % hmotn. na množstvo sušiny vo vysušenom komunálnom kale a cez vstup (1) sa dopraví do násypníka (2) s extrudérom a odplynením, ďalej sa pomocou dávkovacieho závitovkového dopravníka (4) poháňaného motorom (16) zmes komunálneho kalu a alkalického reakčného činidla dopravuje do pracovného priestoru karbonizačného termického reaktora (3) s pracovnou teplotou 500 až 600 °C, pričom ohrev karbonizačného termického reaktora (3) je zabezpečený elektrickým ohrevom cez vonkajší plášť karbonizačného termického reaktora (3) a posun reakčnej zmesi karbonizačným termickým reaktorom (3) je zabezpečený závitovkovým dopravníkom poháňaným motorom (8), karbonizačný termický reaktor (3) je rozdelený na prvú teplotnú zónu (5) a druhú teplotnú zónu (6), pri prechode reakčnej zmesi prvou teplotnou zónou (5) sa odparí zvyšková voda a časti organických látok zo vstupného kalu a vzniknutá plynná fáza je na konci prvej teplotnej zóny (5) odvádzaná potrubím do chladeného kondenzátora (9), následne pri prechode druhou teplotnou zónou (6) karbonizačného termického reaktora (3) vplyvom tepla a alkalického reakčného činidla dochádza ku karbonizácii vysušeného kalu za vytvorenia karbonizovanej pevnej substancie, ktorá je následne na konci druhej teplotnej zóny (6) odvádzaná do chladeného závitovkového dopravníka (11) chladiacou vodou (7) poháňaného motorom (17), a karbonizovaná pevná substancia po prechode chladeným závitovkovým dopravníkom (11) sa odvádza do zásobníka (12), v chladenom kondenzátore (9) v dôsledku chladenia chladiacou vodou (7) časť plynnej fázy privedenej z karbonizačného termického reaktora (3) skondenzuje, kvapalná (13) aj plynná fáza (14) sa odvádzajú do odlučovača (10), v ktorom sa oddelia obe fázy, a následne sa plynná fáza (14) aj kvapalná fáza (13) vracajú z odlučovača (10) naspäť do systému ČOV na procesné spracovanie.

2. Spôsob termickej karbonizácie komunálnych kalov podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že alkalické reakčné činidlo je zložené z alkalickej zmesi pozostávajúcej z alkalických hydroxidov, hydroxidov alkalických zemín, alkalických uhličitanov, uhličitanov alkalických zemín, alkalických hydrouhličitanov, hydrouhličitanov alkalických zemín, alebo ich zmesi s obsahom 0,1 až 1,5 % hmotn. a zvyšok do 100 % hmotn. tvorí biomasa obsahujúca lignocelulózu a/alebo celulózu vo forme zrna, drviny, pilín, vlákien alebo zberového papiera.

3. Zariadenie na termickú karbonizáciu komunálnych kalov podľa nárokov 1 a 2, vyznačujúce sa tým, že pozostáva zo vstupu (1) na dávkovanie komunálneho vysušeného kalu a alkalického reakčného činidla, násypníka (2) s extrudérom a odplynením a dávkovacieho závitovkového dopravníka (4) s motorom (16) na ústiaceho do priestoru karbonizačného termického reaktora (3) na karbonizáciu vstupujúceho vysušeného kalu, s elektrickým ohrevom vnútorného priestoru cez vonkajší plášť karbonizačného termického reaktora (3) a so závitovkovým dopravníkom poháňaným motorom (8) na posun reakčnej zmesi karbonizačným termickým reaktorom (3), ktorý pozostáva z elektricky vyhrievaných prvej teplotnej zóny (5) a druhej teplotnej zóny (6), na konci prvej teplotnej zóny (5) je odvod plynnej fázy z karbonizačného termického reaktora (3) a na konci druhej teplotnej zóny (6) je výpust na odvod vzniknutej karbonizovanej pevnej substancie na vstup do závitovkového dopravníka (11) s motorom (17) a s chladením chladiacou vodou (7), na konci závitovkového dopravníka (11) je výstup ochladenej pevnej karbonizovanej substancie do jej zásobníka (12), karbonizačný termický reaktor (3) je pomocou potrubia na plynnú fázu odchádzajúcu z konca prvej teplotnej zóny (5) karbonizačného termického reaktora (3) napojený na chladený kondenzátor (9) na kondenzáciu časti plynnej fázy privádzanej z karbonizačného termického reaktora (3) a chladený kondenzátor (9) je prepojený na odlučovač (10) na oddelenie kvapalnej (13) a plynnej (14) zložky, ktoré sú z odlučovača (10) vedené do systému ČOV na ďalšie spracovanie.