Termické využití separátu po anaerobní fermentaci biologicky rozložitelných odpadů

Anotace

Výsledným produktem anaerobní fermentace je bioplyn a fermentační zbytek (digestát). Samotný separát vzniká oddělením tuhé složky z digestátu pomocí separátoru na odstředivém principu. Z tohoto materiálu a ze směsi s dřevními pilinami byly vytvořeny palivové pelety o průměru 6 mm. Na tomto palivu byly měřeny mechanické, energetické a emisní parametry. Na výsledné hodnoty má veliký vliv vlhkost vstupního materiálu. Pelety ze samotného separátu vykazovaly oproti peletám ze směsi separátu a dřevěných pilin lepší užitné vlastnosti.

Úvod

Efektivní využití odpadů je obecně velmi složitý problém, který musíme řešit. Stávající neperspektivní systém skládkování odpadů, který je sice v poslední době zákonem omezován, má ale stále majoritní podíl v nakládání s odpady.A tak z alternativních možností zpracování komunálních i dalších biologicky rozložitelných odpadů bude, při současném nastavení právního rámce ČR, pravděpodobně vedle materiálového využití separovaných složek ekonomicky nejvýhodnější metodou i jejich energetické zhodnocení. Důležité nařízení vlády v oblasti energetického využívání biomasy je Plán odpadového hospodářství ČR (Nařízení vlády č. 197/2003 Sb.), který radikálně omezuje skládkování biologicky rozložitelných odpadů do roku 2020 na 35 % úrovně roku 1995.

Biologicky rozložitelný odpad je spojován především s komunálním odpadem. Teprve v posledních letech bylo zpracováno několik studií, ze kterých vyplynulo, že v současné době vzniká ročně v České republice asi 1,9 mil. tun biologicky rozložitelného komunálního odpadu, který je možné zpracovat technologií anaerobního vyhnívání. V souvislosti s bioplynovými stanicemi je nutné zmínit nemalý objem biologicky rozložitelného odpadu v podobě exkrementů chovných zvířat, kalů z čištění odpadních vod, odpadů z potravinářských procesů apod. (Kára, J., Pastorek, Z., Přibyl, E., 2007).

Separát vzniká oddělením tuhé složky digestátu, který je spolu s bioplynem jedním z výsledných produktů anaerobní fermentace. V současné době se digestát nejčastěji využívá jako hnojivo, což ale může být problém v případě, že obsahuje nebezpečné látky např. těžké kovy. Ty se mohou dostat do procesu anaerobní fermentace v případě, že se zpracovávají exkrementy hospodářských zvířat, které jsou např. léčeny či je jim podáván nějaký přípravek na prevenci onemocnění. Tyto přípravky mohou obsahovat např. těžké kovy, což je v procesu rostlinné výroby (hnojení digestátem) nežádoucí. Podobná situace je i např. s kalem v čistírnách odpadních vod. Možností jak využít toto nevyhovující hnojivo, by mohlo být jeho lisování do formy standardizovaného paliva a následné energetické využití ve vhodných provozech.

Materiál a metody

Materiál pro výzkum byl získán z bioplynové stanice Žihle firmy AGRO ENERGO, a.s., která zpracovává zvířecí exkrementy a rostlinnou biomasu. Separát byl oddělen od fugátu již v bioplynové stanici. Většina pokusů a měření týkající se hlavně procesu spalování byla provedena v laboratořích VÚZT,v.v.i. v Praze. V laboratoři Technické fakulty ČZU v Praze na Katedře mechaniky a strojnictví byla vykonána mechanická zkouška pevnosti a lisování materiálu do formy pelet. Pro omezené množství materiálu byly vytvořeny pouze dva druhy vzorků: ze samotného separátu a směs separátu a dřevěných pilin v hmotnostním poměru 1:1. Pro peletování byla vyžadována frakce vstupního materiálu do 4 mm. Z důvodu kratšího časového úseku ponechání vsázky v anaerobním fermentoru, byla frakce výsledného separátu velmi různorodá (5-30 mm). Pro desintegraci byl použit vertikální kladívkový šrotovník Stoza ŠV 15 od firmy Stoza s.r.o. (viz obr.1) se sítem o průměru 4 mm.

Pro lisování směsí a samotného separátu byla použita malá granulační linka MGL 200 od firmy KOVO Novák. Výsledné pelety měly průměr 6 mm. Z mechanických vlastností pelet je důležitá jejich otěruschopnost, tato byla zjišťována na přístroji Ligno-tester. Výsledky se porovnají s rakouskou normou ÖNORM M7135. Při měření otěru se pelety nejprve zváží, následně jsou vloženy do přístroje Ligno-tester, kde jsou proudem vzduchu uvedeny do pohybu. Pelety narážejí vzájemně do sebe i na stěny přístroje a tím dochází k otěru. Po vyjmutí s přístroje jsou pelety opět zváženy a sleduje se hmotnostní úbytek. Dle normy ÖNORM M7135 by hodnota otěru neměla přesáhnout 2,3 % hm. V ČR je v současné době v platnosti nová Česká technická norma ČSN P CEN/TS 15210-1, kde se stanovuje mechanická odolnost pelet. V průběhu tohoto měření však nebylo časově ani technicky možné zajistit průběh zkoušky na mechanické vlastnosti dle této normy.

Analýza energetických parametrů byla provedena v Ústavu energetiky, Fakulty technologie ochrany přírody Vysoké školy chemicko-technologické v Praze. Vzorky pelet byly podrobeny rozboru, přičemž bylo zjišťováno jejich složení z hlediska energetické aplikace. Proto byl zjišťován obsah vody, prchavé a neprchavé hořlaviny a popele. Dále byla provedena analýza obsahu některých prvků. Energetické parametry dále doplňují hodnoty spalného tepla a výhřevnosti.

Provozní ověření a základní zhodnocení tepelné účinnosti a emisních parametrů topných pelet bude provedeno na horkovzdušných kamnech KNP se jmenovitým tepelným výkonem 18 kW. Výrobce KOVO Novák určuje ke spalování pelety nebo obilí. Spalovány budou postupně palivové pelety ze sledovaného separátu a separátu s příměsí pilin (1:1 hm.). Pro spalovací zařízení s takto malým výkonem (18 kW) není stanovena limitní hodnota pro NO_x.Výsledky lze však porovnat se směrnicí MŽP č. 13-2002 požadavky pro propůjčení ochranné známky „Ekologicky šetrný výrobek“, týkající se teplovodních kotlů pro ústřední vytápění na spalování biomasy do 0,2 MW (ČSN 07 02 40 a ČSN EN 303-5), která udává jako limitní hodnotu pro NO_x 250 mg.m^-3 při 11 % O₂.

Pro analýzu kouřových plynů bude využito měřící zařízení, jehož základní část tvoří box Tesco 350 XL a kontrolní jednotka Tesco 350-S od firmy Tesco s.r.o. Měřící princip je založen na využití elektrochemických převodníků. Mudou mšřeny a dopočítány tyto parametry 0₂, CO₂, CO, NO, NO_x, NO₂, teplota spalin a přebytek vzduchu ë.

Pro výpočet přebytku spalovacího vzduchu lze použít hodnoty CO₂ nebo O₂ podle následujících vztahů:

Výsledky a diskuze

V tabulce 1 jsou uvedeny mechanické vlastnosti topných pelet ze separátu a ve směsi s pilinami. Pro porovnání jsou uvedeny i vlastnosti topných pelet ze dřeva, které jsou brány jako standardní palivo. V tabulce 2 je pro každý materiál nebo směs uvedena hustota v kg.m^-3, a dále otěr pelet v %.

Dle rakouské normy ÖNORM M7135 by hodnota otěru neměla přesáhnout 2,3 %. Jak je vidět v tabulce 2 tato hodnota otěru u směsi separátu a pilin byla přesažena více jak dvakrát, což by působilo problémy při skladování, přepravě a následném dávkování do termického zařízení. Pelety ze samotného separátu vyhovují normě, ovšem při porovnání s peletami z dřevní štěpky mají více 4x větší otěr.

Z tabulky 3 je zřejmé, že výhřevnost ani obsah popela nedosahují hodnot požadovaných pro pelety z kůry. Přidání dřevěných pilin má poměr malý vliv na zvýšení výhřevnosti, vysoký obsah popela je však charakteristikou vlastností tohoto materiálu. Obsah síry je v peletách ze samotného separátu značně vyšší oproti peletám ze dřevní štěpky a ve směsi z obou materiálů je tady dán přibližným průměrem obou těchto hodnot, přičemž obě hodnoty překračují normu. Obsah chloru je srovnatelný u obou měřených vzorků, značně však překračuje požadavky ÖNORM M7134 na brikety z kůry.

Výsldeky měření emisí ve spalinách CO a NO_x topných briket ze separátu a směsi s pilinami jsou názorně uvedeny v grafech 1 a 2.

Při porovnání naměřených hodnot emisí CO s třídami emisí CO podle ČSN EN 13229 splňuje vícesměsné palivo (separáty + piliny 1:1 hm.) výše zmiňovanou normu. Ovšem vzorek samotného separátu tuto normu splnil jen v části časového intervalu měření.

V grafech 3 a 4 jsou uvedeny hodnoty emisí NO_x při referenčním obsahu kyslíku 13 %. Naměřené hodnoty byly porovnány se směrnisí MŽP č. 13-2002-Požadavky pro propůjčení ochranné známky? Ekologicky šetrný výrobek" pro teplovodní kotle na spalování biomasy do tepelného výkonu 0,2 MW. Limit dle této směrnice je 11 % referenční obsah kyslíku ve spalinách 250 mg.m^-3_N, což je po přepočtení na 13% obsah kyslíku hodnota 211,5 mg.m-3. Tento limit nesplňují topné pelety ani ze samotného separátu ani ve směsi s pilinami.

Na obr. 6 je vidět popel po spálení topných pelet ze separátu. Vzhledem k vysokému obsahu popele v tomto materiálu a jeho špatné rozpadavosti z původního tvaru se v topeništi vytváří vrstva popele, pod kterou se stále nachází nespálené palivo, což zabraňuje plynulému odhořívání celé násypky v topeništi. Tento problém lze vyřešit konstrukcí kotle, který by spaloval palivo s podobnými vlastnostmi.

Závěr

Zkoumané palivo nesplňuje přípustné hodnoty v některých ze sledovaných mechanických, energetických a emisních ukazatelů podle rakouské normy ÖNORM M 7135 a směrnice MŽP č. 13-2002 - Požadavky pro propůjčení ochranné známky „Ekologicky šetrný výrobek“ pro teplovodní kotle na spalování biomasy do tepelného výkonu 0,2 MW. Lze však předpokládat výrazné zlepšení monitorovaných vlastností při snížení podílu separátu v palivu, či nalezení vhodného aditiva nebo příměsi. Tento problém lze eliminovat také přidáním separátu do vsázky velkokapacitního spalovacího zařízení s čištěním spalin.

Získané zkušenosti při výrobě a následném termickém zpracování separátu po anaerobní fermentaci biologicky rozložitelných odpadů pomohou do budoucna hledat optimální složení paliv na bázi separátu i konstrukční řešení spalovacích zařízení.

Odhady na celosvětové zásoby neobnovitelných zdrojů energie se různí, jisté ale je, že jsou omezené a možnost alespoň částečně nahradit fosilní paliva, jako primární zdroje energie, odpady, může být důležitým prvkem pro další využití termických zřízení. (Koutný, R., 2005)

Poznámka

Příspěvek byl zpracován na základě řešení výzkumného projektu IGATF– 31130/1312/313103 „Termické využití separátu po anaerobní fermentaci biologicky rozložitelných odpadů“.

Literatura

1. KÁRA, J., PASTOREK, Z., PŘIBYL, E.:Výroba a využití bioplynu v zemědělství. Praha: VÚZT Praha – Ruzyně ve spolupráci s MZe ČR, 2007, 123 s.
2. KOUTNÝ, R.: Využití procesu gazifikace uhlí pro termickou likvidaci odpadů, Praha, 2005, 72 s. Diplomová práce na Technické fakultě České zemědělské univerzity v Praze na katedře mechaniky a strojnictví. Vedoucí diplomové práce Ing. Jaroslav Kára, CSc.
3. TESTO, s.r.o.: Analýza spalin v průmyslu, Praha, 2004. Získané zkušenosti při výrobě a následném termickém zpracování separátu po anaerobní fermentaci biologicky rozložitelných odpadů pomohou do budoucna hledat optimální složení paliv na bázi separátu i konstrukční řešení spalovacích zařízení

Tento článek byl převzat v rámci spolupráce s magazínem Agritech Science.

Tweet

Odpadové hospodářství: Pozitivní trendy a výzvy do budoucna

Novinky z Prodevalu: zkapalňování CO2, Valopur DFM a nová výrobní linka na jihu Francie

Regulace teploty plynových motorů

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky