and Environmental Protection
http://ago.helion.pl ISSN 1733-4381, Vol. 9 (2008), p-11-18
Współspalanie osadów ściekowych w energetyce Kotlicki T.
Instytut Elektroenergetyki Politechniki Łódzkiej - Łódź ul. Stefanowskiego 18/22, 90-924 Łódź
tel. +48 42 6312591, fax +48 42 6312591, e-mail kotlicki@p.lodz.pl
Streszczenie
W referacie przedstawiono wyniki analiz osadów ściekowych z krajowych oczyszczalni
przeprowadzone pod kątem współspalania tych odpadów w elektrowniach.
Zaprezentowano symulacje wpływu podsuszania osadów na ich parametry energetyczne oraz na możliwości produkcji tzw. zielonej energii w elektrowni.
Abstract
Co-firing of sewage sludge in the power plant
The paper presents properties of sludge originating from Polish sewage treatment plants. The purpose of an analysis is consideration of sewage sludge co-firing in power plant. The influence of sludge drying on its heat value is presented in simulation as well as
possibilities to produce a renewable energy in power plant. 1. Wstęp
Współspalanie osadów ściekowych należy traktować, zarówno jako proces spalania biomasy w energetyce, czyli produkcję tzw. „zielonej energii”, jak i proces unieszkodliwiania i odzysku odpadów poprzez ich termiczne przekształcanie. Zgodnie z art. 44 ust. 7 Ustawy o odpadach, termiczne przekształcanie odpadów typu osady ściekowe jest procesem odzysku o kodzie R1 [1]. Jednak wziąwszy pod uwagę, zarówno niską wartość opałową surowych osadów, jak i to, że po spaleniu osadów ich uciążliwość jest dużo mniejsza, można mówić także o ich jednoczesnym unieszkodliwianiu (przynajmniej w sensie potocznym).
Argumenty przemawiające za współspalaniem osadów ściekowych w energetyce są następujące:
- spalanie osadów pozwoli w większym stopniu wypełnić zobowiązania Polski jako członka Unii Europejskiej w kwestii poziomu produkcji energii elektrycznej odnawialnej;
- spalanie powoduje unieszkodliwianie i odzysk energii z odpadów, co jest jednym z głównych kierunków działań w gospodarce odpadami;
- spalanie powoduje unikanie składowania odpadów, czyli degradacji ekologicznej środowiska;
- unikanie spalania paliw kopalnych w przypadku osadów o dodatniej wartości opałowej. - Z kolei argumenty przeciwko współspalaniu, to:
- zawartość w osadach metali ciężkich, stosunkowo wyższa niż w innych grupach biomasy;
- wysoki stopień przerobu pierwotnej masy organicznej, przez co trudno wykazać pozytywny, globalny efekt ekologiczny – tak jak w przypadku biomasy pierwotnej (zrębki, rośliny energetyczne);
- nie do końca rozpoznany wpływ spalania osadów na emisje do środowiska oraz na technologię spalania w kotle.
Zaliczenie osadów ściekowych do biomasy, nie oznacza jednak traktowania tego „paliwa” tak, jak podobnych paliw będących jednocześnie odpadami i biomasą, np. odpadów roślinnych z rolnictwa (słoma). Przepisy dotyczące współspalania osadów w energetyce – nawet dotyczące jednego zakresu (np. eksploatacji) – wynikają niestety z różnych ustaw i w związku z tym powstają czasami trudności w ich interpretacji. Brak jest ponadto odrębnej ustawy o odnawialnych źródłach energii, co jest dodatkowym utrudnieniem w sytuacji dość intensywnego zainteresowania współspalaniem w energetyce odnawialnej.
Poniżej przedstawiono wyniki analiz dotyczących możliwości zastosowania osadów ściekowych z krajowych oczyszczalni do współspalania z paliwami konwencjonalnymi w elektrowniach cieplnych i produkcji „energii zielonej”.
2. Charakterystyka osadów ściekowych
Określenie „komunalne osady ściekowe” oznacza osady z komór fermentacyjnych z procesu oczyszczania ścieków komunalnych [1]. Ścieki komunalne z kolei, oznaczają w ogólności mieszaninę ścieków pochodzenia bytowego (czyli powstających w wyniku metabolizmu ludzkiego oraz funkcjonowania gospodarstw domowych) ze ściekami przemysłowymi i wodami opadowymi lub roztopowymi [2]. Zatem przedmiotowe osady mogą zawierać, zarówno substancje organiczne, jak i zanieczyszczenia nieorganiczne, w tym szkodliwe lub niebezpieczne. Większość ścieków przyjmowanych przez oczyszczalnie stanowią ścieki bytowe, dlatego też ładunek szkodliwych substancji jest w nich niewielki – stąd wynika kwalifikacja komunalnych osadów ściekowych jako odpadów innych niż niebezpieczne.
Do analiz wykorzystano badania osadów ściekowych pochodzących z kilku dużych i średnich oczyszczalni komunalnych zlokalizowanych w regionie łódzkim. Badania były wykonywane w ciągu jednego roku, z reguły raz na kwartał dla danej oczyszczalni. Oczyszczalnie stosują podobne technologie oczyszczania dostarczanych ścieków, w efekcie których otrzymuje się odpad zakwalifikowany wg katalogu odpadów [3], w grupie odpadów innych niż niebezpieczne, jako: ustabilizowane komunalne osady ściekowe o kodzie 19 08 05. Źródłem ścieków dla badanych oczyszczalni są lokalne aglomeracje miejskie. Są to głównie ścieki pochodzenia bytowego, jednak w niektórych przypadkach
pojawia się w nich dość istotny ładunek ścieków przemysłowych (huty, zakłady metalurgiczne). Powoduje to pojawianie się w osadach ściekowych zwiększonych stężeń metali ciężkich i w związku z tym osady te nie mogą być wykorzystywane rolniczo [4]. 2.1. Fizykochemiczne właściwości badanych osadów
Wyniki badań składu osadów ściekowych stanowiły stosunkowo liczną grupę danych, dlatego przeanalizowano ich zmienność dla poszczególnych oczyszczalni, ustalając wartości minimalne i maksymalne i wyznaczając wartości średnie. Analizie tej poddano następujące parametry: wilgotność osadów (%), zawartość substancji organicznej w suchej masie (% s.m.), zawartość metali ciężkich w suchej masie (mg/kg).
W analizach zastosowano oznaczenia: osad 1, ..., osad 6 dla reprezentatywnych dla danych oczyszczalni osadów. Osady oznaczone numerem 5 różniły się zasadniczo od pozostałych, ponieważ były mieszaniną osadów surowych z odpadami bawełny. Różnice w wynikach analiz dla tego przypadku są wyraźnie widoczne na odpowiednich rysunkach.
Na rysunku 2.1. pokazano wyniki analizy zawartości wilgoci w osadach, na rys. 2.2. natomiast – podobną analizę dla zawartości substancji organicznych w suchej masie osadów. Na rysunkach 2.3. i 2.4. pokazano wybrane wyniki analiz zawartości metali ciężkich w osadach. Tutaj, dodatkowo, zaznaczono poziomy zawartości, powyżej których nie można stosować osadów ściekowych w rolnictwie.
Rysunek 2.1. Zawartość wilgoci w osadach ściekowych.
Rysunek 2.2. Zawartość substancji organicznych w osadach ściekowych (w odniesieniu do suchej masy).
Na rysunkach 2.5. – 2.8 przedstawiono w postaci graficznej wyniki badań dotyczące parametrów energetycznych. Dotyczą one parametrów przeliczonych dla stanu roboczego (czyli dla osadów pobieranych do analiz) - w przypadku udziałów wilgoci, popiołu i masy palnej oraz ciepła spalania i wartości opałowej. Rysunek 2.5. przedstawia wyniki ogólnej analizy osadów ściekowych z poszczególnych oczyszczalni, tzn. udziały wilgoci, masy palnej i popiołu. Na rysunku 2.6. pokazano wyniki pomiarów ciepeł spalania osadów i wyliczone na ich podstawie wartości opałowe. Składy masy palnej, tzn. udziały węgla, wodoru, tlenu z azotem i siarki, przedstawione zostały na rysunku 2.7., a na rysunku 2.8. pokazano zawartość chloru w osadach w przeliczeniu na suchą masę.
Rysunek 2.3. Zawartość cynku w osadach ściekowych.
Rysunek 2.5. Ogólna analiza składu osadów ściekowych: udziały wilgoci, popiołu i masy palnej.
Rysunek 2.6. Ciepło spalania i wartość opałowa badanych osadów ściekowych (uwodnionych).
2.2. Przydatność osadów do współspalania – wnioski z analiz i badań
Analiza wyników badań parametrów fizykochemicznych osadów ściekowych z badanych oczyszczalni pozwala na sformułowanie następujących wniosków i uogólnień.
- Osady ściekowe surowe (za prasami taśmowymi) charakteryzują się podobnym uwodnieniem – około 80 %. Oznacza to, że przy tej technologii odwadniania osady we wszystkich oczyszczalniach będą miały podobne uwodnienie. Składowanie osadów na składowiskach tymczasowych na terenie oczyszczalni nie poprawia znacząco tego stanu. Dopiero dłuższe składowanie w warunkach suchych może zmniejszyć uwodnienie, ale z kolei należy się wtedy liczyć z mineralizacją osadów.
- W przypadku wykorzystania osadów w elektrowni, byłyby one odbierane z oczyszczalni w sposób ciągły, czyli o ich uwodnieniu decyduje zastosowana w oczyszczalni technologia. Należało by zatem zastanowić się nad opłacalnością zmiany technologii odwadniania osadów w oczyszczalniach – nie tylko w kontekście ich wykorzystania energetycznego, ale także z myślą o zmniejszeniu ich objętości.
- Osady wymieszane z odpadami bawełnianymi (osady 5) charakteryzują się wprawdzie mniejszym uwodnieniem, ale za to ich zmineralizowanie powoduje, że ich wartość opałowa niewiele się różni od osadów „normalnie” uwodnionych.
- Średnia zawartość substancji organicznych w suchej masie osadów jest podobna we wszystkich oczyszczalniach i wynosi ok. 60 %.
- Występuje duże zróżnicowanie zawartości metali ciężkich w osadach, zarówno w odniesieniu do próbek z tej samej oczyszczalni, jak i między oczyszczalniami. Wynikać to może z dwóch przyczyn. Po pierwsze metale te mogą się gromadzić przypadkowo w większe skupiska rozmieszczone nierównomiernie w masie osadów. Po drugie, mogą występować sezonowe, czy nawet chwilowe wzrosty ładunków tych metali w przyjmowanych ściekach przemysłowych.
- Wpływ metali ciężkich zawartych w osadach ściekowych na przekroczenia standardów emisyjnych do powietrza z elektrowni jest praktycznie na tym etapie nie do oszacowania. Zależy to bowiem od wielu innych czynników, m.in. sposobu prowadzenia procesu spalania i intensywności przedostawania się par tych substancji do spalin a potem do atmosfery, wpływu odsiarczania i odpylania na wytrącanie się metali ciężkich itp.
- Wpływ metali ciężkich na odpady stałe z procesu spalania (popioły i żużle) i na ewentualne zaostrzenie kryteriów postępowania z tymi odpadami na składowiskach jest raczej niewielki wobec spełnienia przez osady ściekowe norm stosowalności na gruntach. Przy niewielkim dodatku osadów do paliwa, będą się te metale dodatkowo rozcieńczać w popiele i żużlu z węgla.
- Wartość opałowa uwodnionych do ok. 80 % osadów jest podobna i wynosi od 500 do 800 kJ/kg. Ciepło spalania, natomiast, wynosi między 2000 a 3000 kJ/kg. Są to wartości bardzo niskie – praktycznie na granicy sensowności wykorzystania osadów jako paliwa w kotle. Należało by zatem dążyć do pozyskania osadów o jak najmniejszym uwodnieniu, np. poprzez wspieranie w oczyszczalniach budowy instalacji podsuszających osady.
- Badania osadów wykazały obecność chloru w suchej masie na poziomie ok. 0,115 %. Wpływ tej substancji na pracę kotła może być negatywny, ale wydaje się, że
przyjmowany poziom kilku procent dodatku osadów do węgla nie będzie istotnie tego wpływu uwidaczniał.
3. Współspalanie osadów wysuszonych i produkcja zielonej energii
Parametrem decydującym – w sensie technicznym – o sensowności wykorzystania osadów ściekowych do produkcji energii elektrycznej odnawialnej jest wartość opałowa takiego „paliwa” w stanie roboczym, czyli takim, w jakim jest ono podawane do kotła. Na rys. 3.1. przedstawiona została symulacja wpływu podsuszenia osadów ściekowych pochodzących z różnych oczyszczalni na ich wartość opałową.
osad 1 /osad 2 osad 3 osad 4 osad 5 osad 6 -2,0 -1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85
wilgotność osadów (całkowita), %
w a rt o ś ć o p a ło w a , M J /k g
Rysunek 3.1. Symulacja zależności wartości opałowej osadów ściekowych z badanych oczyszczalni od ich uwodnienia (linia przerywana – osady „uśrednione”)
Ilość kwalifikowanej energii elektrycznej wytwarzanej w odnawialnych źródłach energii w przypadku współspalania biomasy, obliczana jest w oparciu o podział całkowitej energii elektrycznej wyprodukowanej na bloku proporcjonalnie do udziału ciepła w biomasie w całkowitej ilości ciepła w paliwie podawanym do kotła. Można zatem wykonać symulacje pozwalające oszacować ilość tej energii w zależności od stopnia uwodnienia osadów spalanych w kotle. Na rys. 3.2. przedstawiono wyniki takich obliczeń dla bloku 360 MW przy założeniu, że w kotle w ciągu roku spalane jest 100 tys. ton osadów („uśrednionych”) – niezależnie od ich uwodnienia. Założono, że minimalny poziom produkcji energii zielonej wynosi 10,4 % [5].
3 2 2 ,3 3 9 1 ,9 4 6 1 ,4 5 3 1 ,0 6 0 0 ,6 6 7 0 ,1 7 3 9 ,7 8 0 9 ,3 8 7 8 ,8 9 4 8 ,4 1 0 1 8 ,0 1 0 8 7 ,5 1 1 5 7 ,1 4 4 ,0 1 1 3 ,6 1 8 3 ,2 2 5 2 ,7 0,0 500,0 1000,0 1500,0 2000,0 2500,0 3000,0 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 wilgotność osadów, % p ro d u k c ja e n e rg ii e le k tr y c z n e j, G W h
odbiorcy finalni odbiorcy pozostali
Rysunek 3.2. Roczna produkcja energii elektrycznej na potrzeby odbiorców finalnych i pozostałych przy spaleniu 100 tys. ton osadów o różnym uwodnieniu.
4. Podsumowanie
Badane osady ściekowe wykazują podobne właściwości fizykochemiczne i energetyczne. Mogą być w niewielkich ilościach (kilku procent) z powodzeniem spalane w kotłach energetycznych – nie niesie to na ogół negatywnych konsekwencji technologicznych i ekologicznych.
Jednak z punktu widzenia ekonomii, czyli zarabiania elektrowni na „zielonej energii”, konieczne jest wstępne wysuszenie osadów ściekowych. Nowoczesne systemy mechanicznego odwadniania pozwalają dzisiaj stosunkowo tanio uzyskać na miejscu (w oczyszczalni ścieków) poziom zawartości wilgoci nawet poniżej 60 %. Może to być zatem opłacalne zarówno dla elektrowni, jak i dla oczyszczalni.
Literatura
[1]. Ustawa z 27 kwietnia 2001 r. o odpadach, DU z 2001 r. Nr 62, poz. 628. [2]. Ustawa z 18 lipca 2001 r. Prawo wodne, DU z 2001 r. Nr115, poz. 1229.
[3]. Rozporządzenie Ministra Środowiska z 27 września 2001 r. w sprawie katalogu odpadów, DU z 2001 r. Nr 112, poz. 1206.
[4]. Rozporządzenie Ministra Środowiska z 1 sierpnia 2002 r. w sprawie komunalnych osadów ściekowych, DU z 2002 r. Nr 134, poz. 1140.
[5]. Rozporządzenie Ministra Gospodarki i Pracy z 19 grudnia 2005 r. w sprawie szczegółowego zakresu obowiązku uzyskania i przedstawienia do umorzenia, uiszczenia opłaty zastępczej oraz zakupu energii elektrycznej i ciepła wytworzonych w odnawialnych źródłach energii, DU z 2005 r. Nr 261, poz. 2187.
