Spalarnie osadów pościekowych

Elektrociepłownia opalana odpadami biodegradowalnymi w instalacji typu „K

Instalacja do termicznego przekształcania odpadów biodegradowalnych w kogeneracji metodą „K”
Wychodząc naprzeciw stawianym przed Polską i pozostałym krajami Wspólnoty Europejskiej zadaniom redukcji składowania odpadów ulęgających biodegradacji oraz wzrostu energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii (OZE), ERO Sp. z o.o. proponuje zastosowanie nowatorskiej instalacji termicznego przekształcania odpadów biodegradowalnych metodą typu „K”, w której biodegradowalna część odpadów komunalnych, poddana zostanie energetycznemu recyklingowi w elektrociepłowni pracującej w układzie kogeneracji parowej lub w układzie hybrydowym parowo-olejowym z generatorem ORC, pracującym w skojarzeniu.
Elektrociepłownia opalana formowanymi alternatywnymi paliwami energetycznymi (FAPE), zgodnie z technologią typu „K”, charakteryzuje się bardzo wysoka niezawodnością eksploatacyjną, optymalną, wysoką sprawnością termicznego przekształcania energii chemicznej paliwa w użytkową energię elektryczną, cieplną i chłód oraz niską emisją substancji szkodliwych do otoczenia, jak również brakiem selektywności spalanej biomasy i odpadów.
Ograniczenie emisji substancji szkodliwych do otoczenia zarówno po stronie gazowej, jak i stałej i ciekłej metodami „pierwotnymi” w procesie spalania, stawia technologie typu „K” w gronie najbardziej nowatorskich i optymalnych pod względem sprawności termicznej i ekologicznej technologii termicznego recyklingu biomasy i odpadów w skali światowej.
Proponowana instalacja do termicznego przekształcania odpadów biodegradowalnych metodą typu „K” została opracowana na podstawie wcześniejszych, wieloletnich doświadczeń zdobytych przy realizacji takich inwestycji jak:

  • Instalacja do utylizacji mięsno-kostnej w STRUGA S.A. w Jezuickiej Strudze o mocy cieplnej 7MW,
    Instalacja do utylizacji odpadów mięsnych, komunalnych, osadów ściekowych oraz biomasy rolniczej i leśnej w P.P. „POLUTIL” w Ostrowitem o mocy cieplnej 12MW,
  • Instalacja do utylizacji mączki mięsno-kostnej i odpadów zwierzęcych w STRUGA S.A. w Jezuickiej Strudze o mocy elektrycznej 4,2MW oraz mocy cieplnej 13MW,
  • Instalacja do utylizacji tłuszczu zwierzęcego w Z.M. VIANDO w Radojewicach o mocy cieplnej 2MW,
  • Instalacja do spalania biomasy pochodzenia leśnego i rolniczego oraz osadów pościelowych w przedpalenisku kotła OP-150 o mocy 40MW w Elektrowni Stalowa Wola.

Instalacja termicznego przekształcania odpadów biodegradowalnych metodą „K” umożliwia spalanie:

  • biodegradowalnych odpadów komunalnych,
  • osadów ściekowych,
  • mięsnych i kostnych odpadów zwierzęcych i rybnych,
  • mączki mięsno-kostnej,
  • wszelkiego rodzaju produktów i odpadów bio-agro,
  • biomasy pochodzenia leśnego i rolniczego,
  • odpadów poszpitalnych.

Cechą charakterystyczną instalacji typu „K” jest możliwość stosowania jako wsadu substancji o dużej wilgotności (powyżej 50%) oraz dużej zawartości popiołu, która może mieć konsystencję zarówno ciała stałego, jak również substancji mazistej, mułu czy też pulpy. Możliwość taką zapewnia zastosowanie w procesie termicznego przekształcania etapu suszenia i odgazowania wsadu biodegradowalnego.

Schemat konwencjonalnej instalacji do termicznego przekształcania odpadów biodegradowalnych w kogeneracji metodą „K”

Rys. 1. Schemat konwencjonalnej instalacji do termicznego przekształcania odpadów biodegradowalnych w kogeneracji metodą „K”

Układ kotłowy
Zasadniczym elementem proponowanej przez ERO instalacji do termicznego przekształcania odpadów biodegradowalnych metodą „K” jest układ kotłowy, w którym następują w sposób ciągły, proces suszenia i odgazowywania odpadów, a następnie proces spalania powstałego gazu pirolitycznego oraz karbonizatu, zapewniając tym samym maksymalne wykorzystanie energii chemicznej zawartej w dostarczanym paliwie.

Płyta czołowa komory obrotowej

Rys.2. Płyta czołowa komory obrotowej

W obrotowej komorze suszenia i zgazowania (rys. 2÷4) realizowany jest proces suszenia, gazyfikacji oraz częściowej neutralizacji siarki i chloru przy pomocy rozdrobnionego węglanu wapnia. Proces w zależności od stopnia zawilgocenia i zawartości popiołu w przekształcanych odpadach po termicznym zainicjowaniu przebiega autotermicznie w atmosferze redukcyjnej, podtrzymywany przez wysokoenergetyczne źródło energii cieplnej. Produkty gazyfikacji z komory obrotowej przepływają do komory fluidalnej (rys. 5÷6), gdzie mieszają się z powietrzem „pierwotnym”. W płycie czołowej znajduje się również palnik olejowy lub gazowy inicjujący i podtrzymujący proces suszenia i odgazowania. (rys. 2)

Zespół kotła fluidalnego jest konstrukcją złożoną, składającą się z komory fluidalnej, komory separacji, komory dopalania oraz ciągu konwekcyjnego. Dno komory fluidalnej zamknięte jest od dołu rusztem fluidalnym z dyszami oraz komorami dostarczającymi gaz fluidalny.

Komora obrotowa

Rys.3.Komora obrotowa

Komora obrotowa- ogólny widok instalacji

Rys.4.Komora obrotowa- ogólny widok instalacji

Gaz pirolityczny powstający w komorze obrotowej przepływa do komory fluidalnej. Proces spalania gazów pirolitycznych w komorze spalania jest rozciągnięty na całą wysokość komory fluidalnej poprzez rozdzielenie powietrza niezbędnego do spalania na powietrze „wtórne” i powietrze „trzecie”. Dzięki temu rozdziałowi powietrza, możliwe stało się ograniczenie temperatury w jądrze płomienia spalających się gazów pirolitycznych do poziomu 1200°C ÷ 1300ºC. Ograniczenie temperaturowe i ograniczenie koncentracji powietrza (cząstek N2, O2) w strefie spalania, pozwala utrzymać proces tworzenia się termicznych NOx na możliwie niskim poziomie. Do spalania gazów pirolitycznych wykorzystywane jest zanieczyszczone powietrze, pobierane z odciągów wentylacyjnych układu rozładunku, przygotowania i podawania wsadu do komory obrotowej, dzięki czemu następuje likwidacja wszelkiego rodzaju przykrych zapachów.

Wyprowadzenie spalin do kotła odzysknicowego.

Rys.5.Wyprowadzenie spalin do kotła odzysknicowego.

 

Komora fluidalna.

Rys.6.Komora fluidalna.

Powstały w komorze obrotowej karbonizat i popiół zsypują się do dolnej części komory fluidalnej, gdzie łącznie z doprowadzonym z zewnątrz materiałem inertnym (np. piasek kwarcowy), tworzą złoże fluidalne, którego fluidyzacja następuje w wyniku przepływu gazu fluidyzacyjnego, składającego się ze spalin z recyrkulacji oraz powietrza. Dla uzyskania prawidłowych parametrów pracy złoża fluidalnego w fazie rozruchu kotła uruchamiane są dodatkowo rozruchowe palniki olejowe lub gazowe. W złożu fluidalnym proces spalania karbonizatu przebiega w temperaturach niższych od temperatury mięknienia popiołu, tj. 750°C÷900°C. W procesie spalania karbonizatu następuje prawie całkowita neutralizacja siarki, chloru oraz niektórych metali ciężkich do związków obojętnych chemicznie, usuwanych z popiołem. Zawartość części palnych w usuwanym popiele dennym jest mniejsza od 1%. Popiół stanowi pełnowartościowy surowiec budowlany, a w szczególnych przypadkach może stanowić doskonały surowiec do produkcji nawozów sztucznych.

Spaliny na wyjściu z komory fluidalnej są „pierwotnie” oczyszczone z par metali ciężkich i alkalicznych oraz z lotnego popiołu i koksiku, poprzez zastosowanie festonu górnego. Następne oczyszczanie spalin z zanieczyszczeń stałych następuje w komorze separacji oraz na wejściu do komory dopalania, gdzie zastosowano feston dolny. W komorze dopalania, w obecności płomienia paliwa wysokokalorycznego następuje całkowite, katalityczne dopalenie śladowych ilości pirolitycznych gazów palnych oraz lotnego koksiku, dzięki czemu spaliny opuszczające komorę dopalania pozbawione są jakichkolwiek gazów palnych oraz palnych części stałych. Spaliny nie zawierają dioksyn, furanów, wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (WWA), cząstek sadzy (Corg) oraz par metali ciężkich i alkalicznych. Spaliny na wejściu do powierzchni ogrzewalnych kotła mogą zawierać śladowe ilości chlorowodoru, chlorków, tlenków fosforu, potasu itp.. Ograniczenie zawartości substancji szkodliwych dla otoczenia następuje w trakcie procesu spalania poprzez dawkowanie substancji neutralizujących zanieczyszczenia siarkowe chlorowe oraz poprzez stworzenie wielostopniowego procesu spalania gazów pirolitycznych w takim reżimie temperaturowym, oraz przy takiej ilości powietrza, przy których powstawanie NOx jest optymalnie minimalne (poniżej 150mg/nm3).

Spalanie karbonizatu w złożu fluidalnym i wiązanie siarki przez związki wapniowe odbywa się w określonych przedziałach temperaturowych, przy określonej koncentracji tlenu w gazie fluidyzacyjnym, w taki sposób, że zawartość części palnych w usuwanym popiele jest poniżej 1%, a zawartość tlenków siarki na wylocie z czopucha kotła jest mniejsza od 100mg/m3.
Odbiór ciepła następuje poprzez ściany szczelne, stanowiące parownik kotła. W ciągu konwekcyjnym kotła montowany jest dwustopniowy przegrzewacz pary, podgrzewacz wody oraz podgrzewacz powietrza. W przypadku zastosowania dodatkowo turbozespołu ORC, w ciągu konwekcyjnym kotła możliwe jest usytuowanie podgrzewacza oleju termalnego.
Kocioł fluidalny podwieszony jest do konstrukcji nośnej kotła za pomocą regulowanych zawieszeń, pozwalających na swobodne wydłużanie się kotła do dołu, a jednocześnie umożliwiających wyregulowanie położenia wlotu komory fluidalnej w stosunku do komory obrotowej.
Kompletna instalacja do termicznego przekształcania odpadów biodegradowalnych w kogeneracji metodą „K” wyposażona jest w:

  • Układ przyjęcia, magazynowania i podawania odpadów
  • Układ paliwa wspomagającego
  • Układ powietrza zasilającego
  • Układ kondensatu i wody zasilającej
  • Układ oczyszczania i odprowadzenia spalin
  • Układ odbioru popiołu
  • Układ turbiny parowej
  • Układy wyprowadzenia mocy ciepłowniczej i elektrycznej
  • Układy pomocnicze podawania węglanu wapnia oraz materiału inertnego
  • Układ sterowania i AKPiA

W celu zwiększenia sprawności przemiany energii chemicznej zawartej w utylizowanym odpadzie na użytkową energię elektryczną i cieplną można zastosować tzw. układ hybrydowy, w którym utworzone zostały dwa równoległe układy czynnika roboczego:

  • układ wodno – parowy, pracujący w kogeneracji wytwarzającej w turbogeneratorze energię elektryczną i cieplną,
  • układ olej termalny – olej silikonowy, pracujący w układzie skojarzonym z turbiną ORC wytwarzający energię elektryczną i cieplną.

Układ hybrydowy w optymalnym zakresie pracy instalacji posiada sprawność przemiany wyższą o około 5% od układu kogeneracji parowo — wodnej i o około 20% wyższą przy niskich obciążeniach cieplnych instalacji.
Emisje substancji szkodliwych i monitoring
Instalacja do termicznego przekształcania odpadów biodegradowalnych w kogeneracji metodą „K” spełnia standardy emisyjne zawarte w dyrektywach UE.
Wytwarzany popiół, jako odpad wtórny, będzie zawierać poniżej 3% węgla organicznego i zostanie wykorzystany dla celów budowlanych.
Porównanie z innymi rozwiązaniami.
Instalacja termicznego przekształcenia odpadów typu „K” jest instalacją spełniającą wymagania wynikające z ustaw, które stanowią podstawy prawne dla wdrożenia dyrektywy IPPC (Integrated Pollution Prevention and Control) nr 96/61/WE z 24 września 1996 r.
W technologii termicznego przekształcenia odpadów metodą „K” uwzględnione zostały następujące „priorytety”:

  • w procesie termicznej utylizacji odpadów przy pomocy instalacji „K” zapewniony jest dwustopniowy system spalania odpadów – pierwszym etapem jest proces pirolizy (odgazowania), gdzie rozkład termiczny zachodzi bez dostarczania tlenu, drugim etapem jest dopalanie gazów pirolitycznych w komorze dopalania z nadmiarem tlenu,
    w procesie termicznej utylizacji odpadów metodą „K” spełniony jest warunek utrzymania spalin powstających we właściwym procesie spalania w temperaturze powyżej 850°C przez ponad 2 sekundy,
  • proces termicznego przekształcenia odpadów przebiega przy termodynamicznych i chemicznych parametrach środowiska reagującego, eliminujących warunki niepożądanych oddziaływań na proces spalania w wyniku, których mogą powstawać substancje szkodliwe dla otoczenia,
  • w procesie termicznego przekształcenia odpadów zminimalizowany został wpływ zawartej w odpadach siarki, azotu, chloru, sodu, fosforu, potasu, rtęci, ołowiu, cynku, cyny, miedzi i innych metali ciężkich metodami „pierwotnymi” na zawartość powstałych w trakcie spalania tlenków siarki, azotu oraz par metali ciężkich i niektórych związków metali alkalicznych,
  • w procesie termicznej utylizacji metodą „K” ograniczone zostało niekorzystne dla żywotności powierzchni ogrzewalnych kotła, oddziaływania związków chloru i siarki oraz osadzanie się na nich kondensujących się par metali ciężkich i metali alkalicznych oraz ich związków z siarką i chlorem, co doprowadziło do zmniejszenia zabrudzenia powierzchni ogrzewalnych i utrzymania współczynników przejmowania ciepła przez wodę lub parę wodną na początkowym poziomie,
  • w procesie termicznej utylizacji metodą „K” metodami „pierwotnymi” ograniczona została ilość wynoszonego z komory spalania lotnego koksiku, który stanowił stratę niecałkowitego spalania, obniżającą sprawność termodynamiczną instalacji o kilka procent, poprzez katalityczne dopalanie go w strefie przypłomiennej płomienia olejowego,
  • proces termicznej utylizacji odpadów przy pomocy technologii „K” zminimalizował oddziaływanie procesu utylizacji na środowisko poprzez ograniczenie emisji substancji gazowych (S02, NOx, CO, HCl, HF, Corg) do atmosfery, zawartość metali ciężkich i karbonizatu w popiele do gleby, oraz fenoli i innych ciekłych substancji szkodliwych, zawartych w ściekach do gleby.

W odróżnieniu od powszechnie stosowanych technik termicznej utylizacji odpadów technologia typu „K” metodami „pierwotnymi”, w bardzo szerokim zakresie substancji szkodliwych dla otoczenia zmniejsza intensywność ich powstawania.
Instalacja do termicznej utylizacji odpadów oparta o technologię typu „K” jest najbardziej efektywną, pod względem termicznej przemiany energii chemicznej odpadów w użytkową energię cieplną, oraz pod względem ilości powstających w trakcie spalania substancji szkodliwych dla otoczenia.
Wykorzystanie wytworzonej energii cieplnej w układzie kogeneracji na energię elektryczną i energię cieplną ewentualnie na chłód pozwala uzyskać optymalne efekty ekonomiczne w zakresie gospodarki energią. Utylizacja odpadów pozwala uzyskać dodatkowe efekty ekonomiczne z tytułu likwidacji odpadów, a sprzedaż produktów utylizacji w postaci popiołów, jako surowca do produkcji materiałów budowlanych zwiększa efekty ekonomiczne w wyniku zastosowania technologii „K”. Dodatkowe efekty ekonomiczne mogą wynikać z tytułu sprzedaży limitów CO2, (spalania biomasy).