Technologie spalania

W kolejnych podrozdziałach przedstawiono zasadę działania poszczególnych technologii spalania, w tym metodę referencyjną [19], jaką jest spalanie w złożu fluidalnym. Poniższe opisy technologii spalania ukazane zostały w ujęciu historycznym z uwzględnieniem ich etapów rozwoju.

Piece półkowe

Piece półkowe, zwane piecami Nicholsa-Herreschoffa [14], wykorzystywano od 1885 r. do prażenia siarczków metali. Pierwszy raz użyto ich do spalenia osadów ściekowych w Michigan (USA) w 1934 r. W 1936 r. użyto piec N-H do suszenia osadów. Instalacje były ciągle rozbudowywane i unowocześniane, głównie w USA. Spalano wszystkie rodzaje osadu, odpady komunalne i inne. Średniej wielkości piec składał się z 6 półek. Średnica pieca wahała się w okolicy 5 m, a wydajność od 25 Mg/dobę (Fairbanks, Alaska) do 1000 Mg/dobę (Detroit, Michigan) w 11-półkowym piecu [14]. Największa instalacja składała się z 4 pieców spalających osady wstępne, surowe, skratki, tłuszcze i inne [14]. Piece tego typu znajdowały też zastosowanie do przepalania piasku z osadników. Obecnie ich zastosowanie jest marginalne. Niezależnie od zaawansowania technologii zasada działania pieców półkowych jest następująca: osad podawany jest na górną półkę. Materiał podlegający suszeniu bądź spalaniu zalega w około 30 cm warstwach. Mała miąższość warstwy pozwala na przenikanie wilgoci z poziomu rozgrzanej półki do wierzchniej warstwy materiału. Przy większym uziarnieniu wsadu istnieje możliwość stosowania grubszej warstwy. Warstwa powinna być cały czas mieszana w celu odnawiania i zmiany powierzchni. Jest to możliwe dzięki ułożeniu półek w sposób ułatwiający zsuwanie się wsadu. Temperatura wewnątrz pieca to około 930oC [14].

Spalanie w zawiesinie

W 1935 r. w Chicago uruchomiono pierwszą tego typu instalację przeznaczoną do spalania osadów ściekowych systemem Raymonda [14,40]. System ten rozpowszechnił się w USA. Technologia spalania w zawiesinie polega na wprowadzaniu do ogrzanej komory spalania przez odpowiednie dysze wysuszonego i rozdrobnionego materiału. Zawracane z instalacji oczyszczania spalin ciepłe powietrze wtryskiwane jest wraz z materiałem. Dysze wtryskowe mogą być umieszczone w każdej części pieca. Ich rozmieszczenie zależne jest od spalanego materiału, który wymusza specyfikę prowadzenia procesu. Produktami końcowymi procesu spalania systemem zawiesinowym Raymonda są:

• suchy osad zawierający oryginalne składniki z możliwością zastosowania np. w rolnictwie i rekultywacji;

23

• popiół w drobnej, granulowanej formie bez spieków i niespalonej substancji organicznej.

Systemy Raymonda umożliwiały także prowadzenie procesu współspalania osadów ściekowych z odpadami komunalnymi. Wsad w każdej z technologii poddawany był podsuszaniu, a spaliny podgrzewano do temperatury umożliwiającej dezodoryzację i minimalizację negatywnego wpływu na środowisko. Obecnie elementy opisanej powyżej myśli technicznej mają zastosowanie w licznych piecach pyłowych obecnych w elektrowniach i elektrociepłowniach [41].

Spalanie w piecach obrotowych

Spalanie osadów ściekowych w piecach obrotowych znacząco rozwijało się w połowie XX w. na terenach byłego ZSRR. Rozwiązania te spotykano także w USA [14]. Piece obrotowe to walce o różnych średnicach ułożone poziomo z lekkim nachyleniem w kierunku odprowadzania części stałych po procesie spalania. Ułożone są na rolkach, które przy pomocy kół zębatych i energii elektrycznej wprowadzają walec w ruch. Spalany materiał podawany jest do komory spalania, gdzie poprzez ruch obrotowy pieca jest mieszany. Spalanie najczęściej odbywa się w tzw. przeciwprądzie. Dzięki wydzielonej komorze w górnej części walczaka można suszyć osady. Komora ta izoluje suszony materiał od kontaktu z ogniem. W dolnej części walczaka odbierana jest frakcja mineralna, która nie uległa spaleniu. Gorący popiół chłodzony jest strumieniem zimnego powietrza, które następnie trafia do pieca. Gazy spalinowe z pieców i suszarni obrotowych kierowane są do komór odpylających lub innych instalacji oczyszczania spalin. W następnej kolejności po oczyszczeniu trafiają do atmosfery [14]. Piece obrotowe są obecnie stosowane głównie w cementowniach. Cementownie są jedną z liczących się branż przemysłu, który w ramach swojej działalności mogą wykorzystywać odpady w procesie produkcyjnym, w tym komunalne osady ściekowe w ramach odzysku energii – jako paliwa alternatywne [42].

Spalanie w piecu ze złożem fluidalnym

W latach dwudziestych XX w. niemiecki chemik Fritz Winkler zauważył ruch ziarenek pod wpływem powietrza przypominający wrzącą ciecz. Jego eksperyment zapoczątkował rozwój nowego procesu zwanego fluidyzacją [43,44,45].

Spalanie komunalnych osadów ściekowych w złożu fluidalnym jest aktualnie najpopularniejszą technologią ich termicznego przekształcania. Technologię tę zastosowano w procesie PYROFLUID [46] firmy Veolia Water. Jest on efektywnym i bezpiecznym procesem spalania odwodnionego osadu z oczyszczalni komunalnych i przemysłowych [13]. Piec PYROFLUID składa się z cylindra ustawionego pionowo i połączonych ze sobą systemów dostarczania ogrzanego powietrza fluidyzacyjnego oraz oczyszczania spalin.

W skład pieca wchodzi [13]:

• komora powietrzna z dnem dyszowym; • złoże piaskowe;

• komora dopalania;

• kopuła ewakuacyjna i przewód spalin;

• dmuchawa fluidyzacyjna wdmuchująca powietrze do komory powietrznej;

• dysze wtrysku paliwa (paliwo zewnętrzne, np. gaz ziemny lub olej opałowy, podawane są w przypadku niskiej kaloryczności odpadów bądź podczas rozruchu instalacji);

• dysze do podawania osadu; • inżektor piasku.

W technologii fluidalnej wyróżnia się dwie podstawowe struktury fluidalne: pęcherzykową warstwę fluidalną (AFBC - Atmospheric Classic Fluidized bed Combustion System) i cyrkulacyjną warstwę fluidalną (CFBC - Atmospheric Circulating (fast) Fluidized bed Combustion System). W energetyce przy spalaniu pyłu węglowego zastosowanie mają także kotły fluidyzacyjne z ciśnieniowym złożem stacjonarnym (PFCB - Pressurized Fluidized Bed Combustion) oraz kotły fluidyzacyjne z ciśnieniowym złożem cyrkulacyjnym (PCFB - Pressurized Circulating Fluidized Bed Combustion) [45]. Pęcherzykowa warstwa fluidalna charakteryzuje się tym, że czynnik fluidyzujący ma prędkość nieznacznie większą od prędkości granicznej utrzymującej cząstkę fazy stałej w zawieszeniu. Siła ciężkości cząsteczki jest wówczas równa oporowi aerodynamicznemu przy jej opływie. Prędkość ta wynosi 1–3 m/s. Warstwa cyrkulacyjna charakteryzuje się 3–4-krotnie większymi prędkościami fazy nośnej w stosunku do warstwy pęcherzykowej [34]. Zasada działania technologii Pyrofluid polega na utrzymywaniu materiału inertnego, np. piasku, w stanie zawieszenia w komorze spalania. Paliwo jest podawane w czasie rozruchu do komory dopalającej. Gazy i popioły z procesu spalania zbierane są w górnej części pieca i kierowane do wymienników ciepła. Schłodzone wstępnie w wymienniku ciepła do 250oC spaliny

25

poddawane są procesowi oczyszczania metodą mokrą lub suchą. W metodzie mokrej spaliny są przeprowadzane przez rozdzielacz elektrostatyczny oraz wysoką kolumnę (skruber), w której rozpylana jest woda zwilżająca zawarte w gazach cząstki ciał stałych, powodując ich opadanie [47]. Oczyszczone spaliny poprzez wentylator odciągowy są kierowane do komina. Kondensat z oczyszczania spalin jest kierowany do stacji podczyszczania przed odprowadzeniem do kanalizacji. Ścieki z oczyszczania spalin odprowadzane są do oczyszczalni ścieków. W metodzie suchej gazy oczyszczane są w rozdzielaczu elektrostatycznym oraz w filtrach workowych, w wyniku czego otrzymuje się mniejszą ilość odpadowych pyłów i popiołów, skutkuje to jednak większą koncentracją metali ciężkich. Aby zapewnić dotrzymanie najbardziej rygorystycznych warunków emisji gazów spalinowych firma Veolia Water wdrożyła własny kombinowany system oczyszczania spalin pod nazwą HELIOL. Proces polega na przepuszczeniu spalin kolejno przez elektrofiltr, wymiennik ciepła, dwie płuczki, po czym kierowane są one do komina [48]. Efektywność usuwania popiołu w rozdzielaczu elektrostatycznym wynosi 99,9%, a stężenie pyłu na wylocie jest niższe niż 10 mg/Nm3. Metale ciężkie: Sb, As, Pb, Cr, Co, Cu, Mn, Ni, V, Sn, Cd i Ti są usuwane wraz z pyłem [49]. Zawartość NOx w gazach odlotowych nie przekracza 200 mg/Nm³. Emisja dioksyn i furanów jest zdecydowanie niższa od wartości granicznych określonych jako 0,1 ng/Nm3 w przeliczeniu na suchy gaz przy zawartości 11% tlenu. Ciepło ze schładzania spalin wykorzystane jest do podgrzewania powietrza kierowanego do pieca oraz do podsuszania osadów. Dzięki temu w układzie odzyskiwana jest energia. W optymalnych warunkach odzysk ten może wynieść do 70% [46].

Na świecie działa około 50 instalacji zaprojektowanych w technologii Pyrofluid. Do zalet technologii fluidalnej zaliczyć można [14,34]:

• całkowitą mineralizację osadu;

• około 90% redukcję objętości początkowego osadu odwodnionego;

• możliwość wykorzystania powstających popiołów (konstrukcja dróg, zastosowanie w budownictwie i inne);

• uzyskanie popiołu całkowicie wolnego od patogenów; • odzysk energii;

• prawie idealny rozkład temperatury w całym układzie fluidalnym;

• wysoki współczynnik przenoszenia ciepła od ścian kolumny do ładunku fluidalnego;

• duże rozwinięcie powierzchni ciała stałego zwiększające intensywność wymiany ciepła pomiędzy gazem a ciałem stałym;

• spełnienie restrykcyjnych wymogów dotyczących standardów emisyjnych;

• długoterminową niezawodność; doskonałą wytrzymałość na wysokie temperatury, uszkodzenia i korozję (brak ruchomych części w gorących strefach);

• prostą eksploatację (proces zautomatyzowany); • możliwość pracy w systemie ciągłym ‒ 24/7. Za wady technologii fluidalnej uznaje się [14]:

• konieczność utrzymania jednolitej granulacji ziaren fazy stałej;

• konieczność instalowania urządzeń odpylających dla unoszonych przez gazy wylotowe cząstek stałych.

Największe na świecie instalacje tego typu znajdują się w [46]: • St. Petersburgu, Rosja (2006) ‒ 8 Mg s.m./godz.; • Colombes, Francja (1998) ‒ 8 Mg s.m./godz.;

• Rouen Petit-Quevilly, Francja (1997) ‒ 3 Mg s.m./godz.; • Coleshill, Wielka Brytania (1996) ‒ 5 Mg s.m./godz.; • Lyon Saint-Fons, Francja (1995) ‒ 3,6 Mg s.m./godz.; • Saragossie, Hiszpania (1992) ‒ 4,6 Mg s.m./godz.

Instalacje opierające się na technologii fluidalnej działają w kilkunastu miastach w Polsce, m.in.: w Krakowie, Kielcach, Łodzi, Bydgoszczy, Gdańsku, Warszawie oraz Gdyni, gdzie funkcjonuje najstarsza tej wielkości w Polsce instalacja termicznego unieszkodliwiania komunalnych osadów ściekowych.

W tabeli 3 (strona 30) zestawiono instalacje współspalające i monospalarnie KOŚ w podziale na województwa w Polsce.

Spalanie na ruszcie

Technologia rusztowa jest najbardziej dojrzałą technologicznie metodą spalania. Umożliwia przekształcanie wszystkich rodzajów stałych odpadów. Zastosowanie znajduje głównie przy termicznym przekształcaniu odpadów komunalnych. Działa również na zasadzie współspalania odwodnionych osadów ściekowych i innych niż niebezpieczne odpadów medycznych. Pełne zintegrowanie rusztu, pieca i kotła jest najistotniejszym elementem dla instalacji, aby pracowała wydajnie oraz przede wszystkim bezpiecznie dla środowiska [50]. Instalacje z paleniskami rusztowymi są najbardziej rozpowszechnioną grupą technologiczną używaną dla celów termicznego przekształcania odpadów

27

komunalnych. Instalacje tego typu służą również do unieszkodliwiania komunalnych osadów ściekowych, ale ich udział w technologiach termicznego unieszkodliwiania tych odpadów jest nieznaczny. Przykładem tego typu instalacji jest spalarnia osadów w Olsztynie [51]. Mechanicznie odwodniony na prasach osad transportowany jest za pośrednictwem przenośników ślimakowych do zbiornika magazynowego. Układ suszenia i spalania osadu wyposażony jest w wymienniki ciepła zapewniające maksymalny odbiór ciepła powstającego w procesie suszenia i spalania, co pozwala na jego powtórne wykorzystanie. Proces suszenia odbywa się w zamkniętym obiegu, wykorzystując olej termiczny jako medium grzewcze. Punkt przyjęcia osadów dowożonych służy m.in. do odbioru osadu znajdującego się w kwaterach. Osad ze zbiornika magazynowego równomiernie podawany jest do linii suszenia, skąd dalej systemem przenośników trafia do zbiornika pośredniego osadu wysuszonego, a następnie do spalarni wyposażonej w ruchomy ruszt. Powstające podczas procesu popioły transportowane są układem przenośników do urządzenia workującego i w takiej postaci odwożone do magazynu popiołów [52]. Powierzchnia zaprojektowanej wiaty na popioły zapewnia magazynowanie ilości popiołów odpowiadającej ich rocznej produkcji. Jak wynika ze sprawozdania rocznego PWiK w Olsztynie w 2014 r. termicznemu przekształceniu poddano 389 Mg s.m. osadów [53]. W sekcji suszenia medium grzewczym jest olej termiczny, natomiast paliwem pomocniczym gaz ziemny. Maksymalna ilość osadu odwodnionego, jaka może być poddana procesowi suszenia i spalania, wynosi 2 Mg/godz. (nominalna ‒ 1,4 Mg/godz.). Osady zawierają 18–22% s.m. i po suszeniu są całkowicie zhigienizowane. Wymiary granulki osadu wysuszonego wynoszą 2–6 mm, natomiast pyłu są mniejsze od 100 µm. Zawartość węgla organicznego w popiołach wagowo nie przekracza 3%.

Poniżej przedstawiono charakterystykę instalacji [52]: • ilość odwodnionego osadu ‒ 1,4 Mg/godz.;

• zawartość suchej masy w odwodnionym osadzie ‒ 20%; • ilość suchego osadu ‒ 0,311 Mg/godz.;

• zawartość suchej masy w suchym osadzie ‒ 80–90%; • ilość popiołu ‒ 0,132 Mg/godz.

W opisywanej powyżej instalacji z Olsztyna spalaniu podlegają wcześniej wysuszone osady. Pojemność systemu obliczona jest dla dwusekundowego przetrzymania gazów odlotowych w temperaturze 850ºC, co zapewnia otrzymanie niskiej zawartości

popiołu i CO. W spalarni następuje redukcja węgla organicznego do poziomu niższego niż 3%. Proces spalania składa się z dwóch etapów. Pierwszy zachodzi w komorze spalania, gdzie następuje odparowanie wilgoci zawartej w osadach połączone ze zgazowywaniem lotnych związków. W rezultacie daje to mieszaninę pary i palnych gazów charakteryzującą się wysoką wartością cieplną. W drugim etapie mieszanina pary i palnych związków zostaje przetransportowana do komory dopalania, gdzie pod wpływem zjawiska turbulencji wywołanej przepływem powietrza i działaniem palników utrzymujących odpowiednią temperaturę następuje całkowite spalenie gazów powstałych w komorze spalania, co gwarantuje usunięcie zanieczyszczeń. Z instalacji gazy odlotowe kierowane są do wymiennika, gdzie dochodzi do podgrzewania oleju termicznego na potrzeby suszenia oraz do wymiennika, w którym podgrzewane jest powietrze do procesu spalania. Oczyszczanie gazów ma miejsce w wieży reakcyjnej i w filtrze workowym [52].

Najistotniejszym elementem tego pieca jest jego ruszt. Każdy rodzaj rusztu musi spełniać określone wymagania dotyczące sposobu dostarczania powietrza pierwotnego pod ruszt, możliwości jego dodatkowego chłodzenia (wodą, gdy kaloryczność odpadów jest wysoka. a chłodzenie powietrzem jest niewystarczające), szybkości przemieszczania się jak i mieszania odpadów. Czas przebywania odpadów na ruszcie wynosi zwykle nie więcej niż 60 minut i jest zależny od rodzaju spalanych odpadów i ich właściwości. Ruszty mogą być ruchome bądź stałe, poziome lub pochylone, walcowe lub posuwisto-zwrotne [50].

Współspalanie

Pośród termicznych metod odzysku KOŚ w opisanych powyżej instalacjach mogą być prowadzone także procesy współspalania osadów z paliwami i innymi odpadami. W zależności od sposobu dostarczenia osadów technologie ich współspalania można podzielić na [54]:

• współspalanie bezpośrednie przez mieszanie osadów z węglem na placu magazynowym lub mieszanie w palenisku kotła przez oddzielne wprowadzanie osadów i węgla do kotła;

• współspalanie pośrednie przez zgazowanie osadów w oddzielnej instalacji i następnie spalanie produktów zgazowania w kotle;

• współspalanie równoległe polegające na spalaniu osadów w osobnym kotle i przesłaniu wyprodukowanej w nim pary lub gorących spalin do odrębnego kotła.

29

Współspalanie osadów cieszy się dużą popularnością w sektorze energetycznym w Niemczech, Belgii, Holandii oraz Austrii. W Niemczech współspalanie stosowane jest w ponad dwudziestu elektrowniach opalanych węglem kamiennym i brunatnym. W Szwecji, Niemczech i Japonii KOŚ w znaczącym stopniu współspalane są z odpadami komunalnymi [36]. W Polsce taki sposób zagospodarowania KOŚ jest mało znaczący w stosunku do strumienia powstających odpadów [3]. Obowiązujące do 2015 r. uregulowania prawne traktujące osady ściekowe jako odpady, a instalacje je spalające (w ilości większej niż 1% masowy paliwa) [55,56] jako współspalarnie odpadów podlegające restrykcyjniejszym niż sektor energetyczny normom emisji gazów oraz procedurom prowadzenia procesów spalania powodowały, że współspalanie osadów ściekowych w energetyce wykluczano ze względów ekonomicznych [57]. Szansą dla takiego sposobu ich odzysku stało się uznanie osadów za biomasę w rozumieniu przepisów prawnych dotyczących tzw. zielonej energii. Definicję szczegółowo ujęto w ustawie z 20 lutego 2015 r. o odnawialnych źródłach energii [58]. Dzięki takiemu podejściu wysuszone KOŚ stanowią jedno ze źródeł paliw alternatywnych w działających na terenie Polski cementowniach. Paliwa z odpadów od 2014 r. wypełniają ponad 50% zapotrzebowania na ciepło do produkcji cementu [59]. KOŚ w 2015 r. stanowiły 0,7% (10 Gg) zużytych paliw alternatywnych [59]. Wartość opałowa wysuszonego osadu porównywalna jest z węglem brunatnym [60].

Tabela 3. Instalacje spalania i współspalania komunalnych osadów ściekowych w Polsce w 2014 r. l.p. Województwo Sposób spalania Technologia monospalania Nominalna wydajność monospalarni Gg s.m./rok współspalanie monospalanie 1 2 3 4 5 6 1 śląskie

‒ Cementownia Rudniki (Cemex Polska)

‒ Elektrownia Łagisza (Tauron Wytwarzanie) ‒ Elektrownia Łaziska (Tauron Wytwarzanie) ‒ Sarpi Dąbrowa Górnicza - - -

2 świętokrzyskie b.d. Stacja Termicznej Utylizacji Osadów

Ściekowych w Sitkówka-Nowiny ^{fluidalna 6,2}

3 łódzkie Cementownia Warta Grupowa Oczyszczania Ścieków

w Łodzi Sp. z o.o. ^{fluidalna 21}

4 podlaskie b.d Miejskie Przedsiębiorstwo

Wodociągów i Kanalizacji w Łomży ^{b.d. 1,5} 5 lubelskie Cementownia Chełm (Cemex

Polska) ^{- - -}

6 małopolskie -

STUOŚ przy oczyszczalni ścieków

Kraków Płaszów II fluidalna 23

31 l.p. Województwo Sposób spalania Technologia monospalania Nominalna wydajność monospalarni Gg s.m./rok współspalanie monospalanie 1 2 3 4 5 6

7 mazowieckie Zakłady Orlen Eko Płock

Oczyszczalnia ścieków „Czajka” – Warszawa fluidalna fluidalna (współspalanie z osadami przemysłowym i) 62,2 8 pomorskie b.d. ‒ Oczyszczalnia ścieków „Dębogórze” – Gdynia ‒ Oczyszczalnia ścieków Gdańsk –

Wschód

fluidalna fluidalna

9 14

9 zachodniopomorskie b.d. Oczyszczalnia Ścieków

„Pomorzany” – Szczecin ^{rusztowa 6}

10

warmińsko-mazurskie ^-

Przedsiębiorstwo Wodociągów

i Kanalizacji ‒ Olsztyn ^{rusztowa 3,2}

11 kujawsko-pomorskie - Miejskie Wodociągi i Kanalizacja

Bydgoszcz ^{fluidalna 7,8}

12 lubuskie - Zielonogórskie Wodociągi

i Kanalizacja Sp. z o.o. Zielona Góra ^{rusztowa 6,4} Źródło: opracowanie własne na podstawie [61,62,63,64,65,66,67,68,69,70,71,72]

Tabela 3 cd. Instalacje spalania i współspalania komunalnych osadów ściekowych w Polsce w 2014 r.

Udział termicznych metod zagospodarowania osadów ściekowych w 2010 r. w krajach Unii Europejskiej przedstawiono na rysunku 2.

Rysunek 2. Udział % metod termicznych w zagospodarowaniu komunalnych osadów ściekowych w krajach Unii Europejskiej w 2010 r.

*w roku 2016 – 17,8%

Źródło: opracowanie własne na podstawie [3,35]

Niekwestionowanym liderem jest Holandia, gdzie 100% KOŚ podlega termicznemu unieszkodliwianiu. Drugie miejsce zajmuje Belgia z wynikiem 90%. Około połowę KOŚ przekształcają termicznie Duńczycy i Niemcy. Nieco mniej, bo 40%, Austriacy, a około

0 20 40 60 80 100 Austria Belgia Dania Finlandia Francja Grecja Hiszpania Holandia Irlandia Luksemburg Niemcy Portugalia Szwecja W. Brytania Włochy Polska* Bułgaria Czechy Cypr Estonia Litwa Łotwa Malta Rumunia Słowacja Słowenia Węgry

25% osadów podlega spaleniu w Czechach i Słowenii. W Polsce w 2010 r. termicznemu przekształceniu poddano 5% KOŚ. Jednakże w ostatnich 6 latach zanotowano dynamiczny przyrost instalacji do monospalania, co w 2015 r. pozwoliło przekształcić termicznie blisko 14% tych odpadów. Wśród liderów opisywanego rankingu duże znaczenie mają instalacje współspalania wysuszonych osadów. W Polsce ze względu na restrykcyjność norm dotyczących instalacji oczyszczania spalin w zakładach współspalających odpady metody te wykorzystywane są w ograniczonym zakresie w stosunku do potencjalnych możliwości [73]. Są w Europie także kraje, które nie spalają KOŚ. Te kraje to m.in.: Bułgaria, Irlandia, Litwa, Łotwa.