Włączenie procesów przetwarzania odpadów do systemów, w których można wykorzystać energię resztkową jest jedną z najlepszych alternatyw zarządzania odpadami. Przy dolnej wartości opałowej rzędu 2000 i 4500 kcal/kg, efektywnie wysuszone osady ściekowe mogą być stosowane jako standardowe paliwo, zmniejszając tym samym zużycie energii pierwotnej i emisję CO2.
1 Wprowadzenie
Wymagania dotyczące redukcji emisji ustanowione w Protokole z Kioto stanowią ogromne wyzwanie dla świata przemysłu, a w szczególności dla głównych przemysłowych konsumentów paliw kopalnych, takich jak np. przemysł cementowy. W tego typu przemyśle koszty paliwa przekraczają 30% kosztów produkcji. W związku z tym od kilku lat większość z tych branż rozpoczęła wdrażanie środków optymalizacji energetycznej w swoich procesach. Dotychczasowe strategie opierały się na poszukiwaniu paliw alternatywnych – zaliczanych do paliw zastępczych, np. odpadów ściekowych [1] i biomasy – w celu zmniejszenia zużycia paliw konwencjonalnych. W tym kontekście jednym z podstawowych celów tego typu przemysłu jest zarówno uwiarygodnienie dostaw i wykorzystania paliw zastępczych, jak i poszukiwanie innowacyjnych rozwiązań, pozwalających na wprowadzanie nowych rozwiązań.
Udoskonalone procesy oczyszczania ścieków oraz przestrzeganie europejskich dyrektyw dotyczących jakości wody doprowadziły w ostatnich latach do spektakularnego wzrostu ilości osadów powstających w procesach oczyszczania ścieków. Odpowiednia gospodarka osadami ściekowymi stanowi zatem obecnie duże wyzwanie. Konkurencja pomiędzy odpadami tego typu a odpadami komunalnymi przerabianymi na kompost, w połączeniu z zaostrzeniem przepisów, ograniczyła możliwości wykorzystania osadów ściekowych do celów rolniczych. Fakt ten, wraz z zakazem bezpośredniego składowania osadów na składowiskach, doprowadził do poszukiwania optymalnych metod pozyskiwania energii z osadów ściekowych, które do tej pory napotykały na trudności ekonomiczne, głównie ze względu na zużycie energii, które może stanowić od 30% do 50% całkowitych kosztów operacyjnych [2].
Poniżej przedstawiono przykład pełnej integracji dwóch procesów (mianowicie suszenia osadów i produkcji cementu), która skutkuje znaczącymi synergiami środowiskowymi i finansowymi.
2 Odzyskiwanie osadów w przemyśle cementowym
Według Cembureau [3], w 1997 roku przemysł cementowy UE produkował około 170 milionów ton cementu rocznie. Ponieważ zużycie energii stanowi 30-40% całkowitych kosztów produkcji, wiele środków ma na celu poprawę energetyczną procesu, a przemysł poczynił znaczne wysiłki inwestycyjne w ciągu ostatnich 20 lat, zmniejszając zużycie energii o 30%. Jednym z takich działań było zastosowanie paliw zastępczych: co pozwoliło przemysłowi cementowemu na poprawę konkurencyjności i oszczędności w zużyciu ponad 2,5 mln ton węgla rocznie.
Wykorzystanie osadów ściekowych i innych rodzajów odpadów w przemyśle cementowym oferuje pewne powszechnie uznawane korzyści – niezależnie od tego, czy wynikająca z tego produkcja energii jest wykorzystywana, czy nie – ze względu na szczególne cechy procesu produkcji cementu. Wyjaśnia to rosnące zainteresowanie tym podejściem i jego silny rozwój w ciągu ostatnich kilku lat.
Główne zalety:
- zastosowanie paliw alternatywnych zmniejsza zużycie paliw kopalnych w procesie produkcji cementu, a także pozwala uniknąć emisji CO2, którą należałoby rozważyć w przypadku zastosowania innych sposobów zagospodarowania odpadów. Prowadzi to do zmniejszenia całkowitej emisji gazów cieplarnianych zarówno w przemyśle cementowym, jak i w gospodarce odpadami. Na przykład Cembureau [4] obliczył, że spalanie biopaliwa (lub odpadów rozpuszczalników) w piecu cementowym pozwoliło na redukcję emisji o 18% (lub 21%) w stosunku do emisji, które miałyby miejsce, gdyby odpady te zostały spopielone.
- w przypadku pieców do wypalania cementu zwiększoną efektywność energetyczną można osiągnąć poprzez wprowadzanie odpadów bezpośrednio do klinkieru, bez konieczności pośredniej obróbki. Popiół i inne rodzaje odpadów nie są wytwarzane, ponieważ produkty te są następnie włączane do klinkieru.
- warunki pracy pieca cementowego – głównie temperatura pracy, czas przebywania i warunki utleniania – maksymalizują zatrzymywanie potencjalnych zanieczyszczeń (takich jak metale ciężkie) bez obniżania jakości głównego surowca, jakim jest cement.
Wszystkie wyżej wymienione główne zalety odnoszą się również do osadów ściekowych. Jednakże zawartość wody w osadach ściekowych wynosi około 75-80% po mechanicznym odwodnieniu, a zawartość suchej masy nie może zazwyczaj przekroczyć 30%. Ta zawartość wody drastycznie obniża wartość opałową suchej masy osadu. Z tego powodu wcześniejszy etap suszenia termicznego jest niezbędny, aby proces można było uznać za operacyjny i wykonalny.
3 Suszenie termiczne osadów ściekowych
Termiczne suszenie osadów ściekowych polega na zastosowaniu ciepła w celu odparowania wody, której nie można oddzielić od suchej masy osadu metodami mechanicznymi. Biorąc pod uwagę fakt, że koszt energii cieplnej jest znacznie wyższy niż koszt energii mechanicznej, kluczowe znaczenie ma optymalizacja wcześniejszego procesu mechanicznego odwadniania. Koszty energii stanowią ponad ~ 75% kosztów finansowych procesu suszenia termicznego (Rys. 1). Oznacza to, że tylko cieplnie efektywniejsze procesy suszenia pozwolą na optymalizację całkowitych kosztów obróbki.
Głównym założeniem procesu suszenia termicznego jest zmniejszenie zawartości wody w osadzie. Cel stanowi znaczne zmniejszenie, jeśli to możliwe in situ, ilości osadów powstających w oczyszczalniach ścieków, aby ułatwić ich późniejsze zagospodarowanie. Dlatego proces suszenia termicznego sprzyja ostatecznemu wykorzystaniu osadów, zmniejszając ilość produktu, który trzeba zagospodarować, stabilizując go, a tym samym ułatwiając jego składowanie i przeładunek oraz zwiększając jego wartość opałową. Po wysuszeniu termicznym osady ściekowe mają dolną wartość opałową (LHV) wynoszącą od 2000 do 4500 kcal/kg.
4 Proces suszenia osadów ściekowych STC
System termicznego suszenia osadów firmy STC (Rys. 2) oparty jest na konwekcji gorącego powietrza w niskiej temperaturze (65/80°C) w ciągłym zamkniętym tunelu. System ten został zaprojektowany do suszenia osadów, które zostały już odwodnione mechanicznie i dla różnych rodzajów biomasy, i pozwala na osiągnięcie końcowej zawartości suchej masy w przedziale 80-90%.
Osad, przechowywany w zbiorniku lub silosie odbiorczym (Rys. 3 – 7), musi być doprowadzony do głowicy tunelu, gdzie wytłaczarka granuluje i rozprowadza go równomiernie na całej szerokości taśmy zapewniając lepszą kontrolę nad procesem suszenia (ułatwia to równomierny przepływ powietrza przez masę produktu). Ponadto, ponieważ w procesie suszenia nie występuje ruch ani tarcie, na tym etapie procesu nie powstaje pył.
System składa się z dwóch taśm. Taśmy te transportują osad wzdłuż tunelu, w którym krąży gorące suche powietrze o temperaturze 65-80°C, prostopadle do nich. Powietrze, napędzane przez system wentylacyjny, przechodzi przez produkt, usuwając wodę w oparciu o zasadę równowagi higroskopijnej. Zwrócone wilgotne, gorące powietrze jest skraplane w wymiennikach wewnątrz tunelu, usuwając wodę oddzieloną od osadu i dostarczając nową energię cieplną, dzięki czemu powietrze jest recyrkulowane, a cały proces odbywa się w zamkniętym obiegu powietrza.
Należy również zauważyć, że niskotemperaturowy proces suszenia zapobiega usuwaniu innych zanieczyszczeń skumulowanych w osadach, zapewniając, że nie wrócą one do wody. W rezultacie uzyskuje się tylko wodę wysokiej jakości, z bardzo niskim porywaniem cząstek stałych, które zależy od rodzaju oczyszczanego osadu.
5 Zasilanie procesu suszenia w energię
Jednym z głównych innowacyjnych aspektów suszarni STC jest jej uniwersalność w zakresie stosowanego źródła ciepła: może ona pracować z każdym gorącym źródłem energii o temperaturze powyżej 80°C. Można ją przystosować do pracy w oparciu o obieg gorącej wody o temperaturze 75-90°C, wytwarzanej przez silniki kogeneracyjne, spaliny, opary resztkowe lub gorącą wodę. Ta temperatura robocza, wraz z zamkniętym obiegiem powietrza, jest jedną z głównych zalet systemu, ponieważ pozwala na wykorzystanie kilku źródeł energii cieplnej, które mogą nie być odpowiednie dla innych rodzajów procesów. Jest to krytyczny czynnik, o którym należy pamiętać, biorąc pod uwagę koszty energii cieplnej w całym procesie suszenia. Dlatego należy rozważyć wszystkie warianty, które umożliwiają wykorzystanie ciepła odpadowego w procesach suszenia odpadów stałych. Poniżej przedstawiono niektóre z atrakcyjniejszych alternatywnych rozwiązań w zakresie zaopatrzenia w ciepło:
- systemy kogeneracyjne: wykorzystywane są nie tylko spaliny, ale również woda chłodząca silnik oraz spaliny o niskim poziomie energii (50% ciepła wytwarzanego przez silnik kogeneracyjny), aż do osiągnięcia maksymalnej wydajności, na jaką pozwala silnik.
- wytwarzane w innych procesach cieplnych, jak np. spaliny z kominów spalarni, ciepło kondensacji turbin, gazy z procesów gazyfikacji itp.
- można zastosować pompy ciepła lub podobne technologie.
- można wykorzystać ciepło z odnawialnych źródeł energii, takich jak energia słoneczna (gorąca woda o temperaturze 80°C), ciepło geotermalne, itp.
Jako alternatywę dla maksymalizacji wykorzystania energii i integracji energii z innymi procesami, STC opracowało podejście do wykorzystania gazów resztkowych z procesów produkcji cementu z systemem, który generuje zamknięty obieg powietrza o temperaturze 65/80°C, wynikający z wymiany gazów spalinowych w procesie produkcji cementu. Jako że cała energia wykorzystywana w procesie suszenia pochodzi z procesu produkcji cementu, nie ma potrzeby zużywania energii pierwotnej, co ostatecznie optymalizuje cały proces.
6 Integracja z cementownią
Głównymi źródłami energii dostępnymi w cementowniach są gazy spalinowe z pieców i/lub gazy chłodzące z klinkierów, przy czym natężenie przepływu i temperatury różni się w zależności od procesu. Gazy te można zaliczyć do gazów “brudnych” (zawierają wiele cząstek stałych), dlatego przed emisją do atmosfery przechodzą przez wysokowydajne filtry. Aby zapewnić odpowiednią skuteczność filtracji, większość procesów filtracyjnych wymaga schłodzenia gazów przed ich przejściem przez system filtracyjny.
7 Wyniki
7.1 Korzyści środowiskowe i finansowe
Jak udowodniono poniżej, korzyści z tego rodzaju procesu będą czerpać wszystkie strony: agencje wodne, firmy zarządzające oczyszczalniami ścieków i cementownią.
W przypadku agencji wodnych proces zarządzania jest usprawniony pod względem środowiskowym, ponieważ nie wymaga nowej siedziby. Jest to również korzystne pod względem finansowym, ze względu na efektywniejsze ogólne koszty zarządzania procesem – ponieważ zapewnione jest ostateczne przeznaczenie osadu – oraz zmniejszone koszty operacyjne związane z dostawą ciepła (ponieważ do przeprowadzenia procesu nie jest wymagane pierwotne źródło energii).
Przedsiębiorstwa eksploatujące zakłady przeróbki osadów czerpią korzyści z instalacji wywierającej wpływ na środowisko zgodny z produkcją cementu, obniżonych kosztów energii (ponieważ nie jest wymagana pierwotna energia cieplna), preferencyjnych kosztów energii elektrycznej oraz zagwarantowanego ostatecznego przeznaczenia osadów. Ponadto, ten rodzaj procesu nie wyklucza stosowania innych rozwiązań, takich jak wykorzystanie rolnicze lub składowanie osadów na wysypisku, ponieważ zmniejszenie ilości produktu wymagającego obróbki i zawartości wody ułatwia zagospodarowanie osadów. Jeśli chodzi o wpływ na środowisko, cementownia pozwala na podłączenie wszystkich urządzeń oczyszczalni szlamu do ogólnej sieci dezodoryzacji. Ponieważ spalanie gazów odlotowych z suszarni odbywa się w piecu, do atmosfery nie są emitowane [5] żadne zapachy, co sprawia, że jest to jeden z najbardziej efektywnych procesów utylizacji zapachów, wolny od jakichkolwiek kosztów kapitałowych i operacyjnych.
W przypadku cementowni proces termicznego suszenia osadów pozwala na poprawę ogólnej efektywności procesu produkcyjnego poprzez uzyskanie większej ilości energii przy takim samym zużyciu energii pierwotnej (co, ponadto, wiąże się emisją CO2 ). Ponadto, spalanie osadów ściekowych w procesie produkcyjnym generuje dodatkową emisję CO2. Nie należy również zapominać o dodatkowych dochodach z gospodarowania osadami ściekowymi.
7.2 Studium przypadku: wdrożenie w cementowni w Alicante
Tego typu system został niedawno wdrożony w fabryce cementu w pobliżu miasta Alicante/ Hiszpania (Rys. 8) i jest obecnie w fazie rozruchu (Rys. 9).
Na terenie fabryki cementu zainstalowano zakład przeróbki osadów ściekowych, który korzysta z tych samych usług, które zainstalowano w cementowni, tj. strefy dostępu dla ciężarówek, systemów ważenia ciężarówek, systemu pomiaru emisji gazów itp. Wydajność oczyszczalni wynosi 60 000 t/a osadów ściekowych zebranych z różnych oczyszczalni ścieków, przy wykorzystaniu energii odpadowej z procesu produkcji cementu. W tym przypadku planowane są dwie metody przeróbki suchego osadu – wykorzystanie rolnicze i odzysk energii – w zależności od źródeł pochodzenia osadu i pory roku. Odzysk energii odpowiada wykorzystaniu wysuszonego osadu w piecu cementowym, jako paliwa alternatywnego.
Można osiągnąć następujące wskaźniki środowiskowe przy zawartości ciepła w zastępowanym węglu wynoszącej 26 GJ/t i stosunku 93 kg CO2 na tonę węgla:
- energia odpadowa z cementowni wykorzystywana do termicznego suszenia osadu, co daje 46 mln therm rocznie, co odpowiada około 18 000 t CO2.
- energia dostarczana przez osady spalane w piecu (średnia moc cieplna 3000 kcal/kg suchego osadu), co daje 53 mln therm rocznie, co odpowiada 20 500 t CO2
Jeżeli te wartości energetyczne są wyceniane na podstawie kosztów zastępczej energii cieplnej w wysokości 0,01 € i szacowanej wartości rynkowej 20 € za tonę CO2, to wartość finansowa ulepszeń środowiskowych dla cementowni wyniesie około 1 300 000 €. Do tej kwoty można również dodać dochód z gospodarowania osadami ściekowymi. Podobnie, proces suszenia termicznego bez zużycia energii pierwotnej daje oszczędność 46 milionów therm, co oznacza dodatkowe oszczędności finansowe w wysokości około 1 000 000 €.
8 Wnioski
Włączenie procesów przetwarzania odpadów do systemów, w których można wykorzystać energię resztkową, jest jedną z najlepszych alternatyw zarządzania odpadami biorąc pod uwagę, że koszt energii jest zazwyczaj czynnikiem, który określa wykonalność i wydajność projektu odzyskiwania odpadów. Ponadto, odzyskiwanie energii z osadów ściekowych w cementowniach jest jedynym procesem, który nie generuje odpadów końcowych (w postaci popiołu), ponieważ stają się one częścią produktu końcowego cementu. Ten rodzaj procesu stanowi ważną szansę na poprawę stanu środowiska naturalnego w cementowniach, ponieważ zwiększa efektywność energetyczną; innymi słowy, większy udział energii przy tym samym zużyciu energii pierwotnej skutecznie wyklucza konieczność zakupu uprawnień do emisji CO2.
Osad o zawartości wody mniejszej niż 20% oraz pozyskiwany bez zużycia energii pierwotnej ma zwiększony potencjał odzysku energii. Przy dolnej wartości opałowej wahającej się w granicach 2000 a 4500 kcal/kg może być stosowany jako paliwo standardowe, zmniejszając w ten sposób zużycie energii pierwotnej i emisję CO2 związaną z paliwami zastępczymi. Ten zintegrowany system suszenia osadów i produkcji cementu został oceniony jako niezawodny, opłacalny sposób zagospodarowania osadów, pozwalający na znaczną redukcję emisji gazów cieplarnianych zarówno w przemyśle cementowym, jak i w procesie suszenia osadów.
Iván Arauzo
Diana Permuy
STC Sistemas de Transferencia de Calor, S. A., Castellon/Spain
Źródła:
[1] Murray A. (2007). End use of sewage sludge in ce- ment manufacturing. Dostępny pod linkiem: http://IES.lbl.gov/ iespubs/CBMA_Murray.ppt (accessed 24 September2009).
[2] Marchand B., Manbré V., Ressent S. (2004). Secado térmico de lodos de residuales – Estado del arte. Medio Ambiente, Septiembre-Octubre
[3] cembureau – The European Cement Association. Alternative Fuels in Cement Manufacture, 1997. Dostępny pod linkiem: http://www.cembureau.be/Documents/ Publications/Alternative_Fuels_in_Cement_Manu- facture_CEMBUREAU_Brochure_FR.pdf (accessed 24 September 2009).
[4] cembureau – The European Cement Association. Environmental Benefits of Using Alternative Fuels in Cement production, 1999 – Dostępny pod linkiem: http://www.wbcsdcement.org/pdf/tf2/CEMBUREAU.pdf (accessed 24 September 2009).
[5] Bouchy L. Senante E., Dauthuille P., Aupetitgendre M., Harry JP., Venot S., Rouge P. (2009). Odour creation potential of sludge during composting and drying. In Proc. Of IWA Sustainable Management & Technologies of Sludges Conference, Harbin (China), 8–10 August.
Suez Water Technologies & Solutions
Michał Strzałkowski
tel. 504 819 800 michal.strzalkowski@suez.com
