Energeticke využívání kalů či termická degradace čistírenských kalů, první praktické zkušenosti v ČR

Spalování kalů je dnes asi nejen jeden z nejperspektivnejších způsobů jak se vypořádat s čistírenskými kaly, ale také zajímavý a složitý technický problém. Vysoký podíl vody v odvodněném kalu - cca 75 % a v sušině až 50% podíl popelovin klasifikuje čistírenský kal spíše na hasivo než palivo. Komplikací je též obsah těžkých kovů a to zejména z hlediska možného vzniku aerosolů při vyšších spalovacích teplotách. Nízké teploty tavitelnosti popela tento problém umocňují.
První zkoušky se spalováním kalů proběhly v 60. letech minulého století v rámci státního úkolu. Při prvních pokusech byly ke spalování kalů navrženy rotační pece. Následovaly další pokusy s přímým spalováním kalu a také pokusy se spoluspalovaním kalů v kombinaci s uhlím či komunálním odpadem.
Spoluspalování nemužeme považovat za perspektivní metodu jednak z hlediska možné kontaminace výsledných produktů ( cementářské pece ) nežádoucími prvky obsažených v kalech (Fe), jednak z hlediska nutnosti dodržení optimálních spalovacích teplot; při jejich překročení nastávávají výše uvedené nežádoucí jevy: vznik aerosolů těžkých kovů a jejich únik do ovzduší a tavení popelovin, což zhoršuje spalovací proces.

Hala spalovny

Jako optimální prostředí pro spalování odvodněných kalů byla po nesčetných pokusech vyhodnocena fluidní vrstva. Fluidní vrstva představuje teplotně homogení prostředí bohaté na kyslík se silně abrazivním působením na částice kalu. Teplotu fluidní vrstvy lze velice přesně řídit, stejně tak jako ovlivnit její dynamiku a bohatost prostředí na kyslík. Zároveň je nutno říci, že kinetika pohybu částic ve fluidní vrstvě je velice složitá stejně jako temodynamika probíhajících dějů. Nutno otevřeně konstatovat, že v současné době neexistují ani teoretické nástroje, které by umožnily navrhnout optimální zařízení. Proto veškerá současná zařízení a zařízení v blízké buducnosti jsou a budou navržena na čistě empirických základech. Dalším problémem je praktická nemožnost vyzkoušet zařízení na modelech v jiném měřítku než je 1:1. Stručně řečeno proktické zkušenosti jsou velice cenné a jejich získávání složité a drahé. To dosvědčuje i zájem odborné veřejnosti o první realizaci fluidní spalovny v ČR, který přerostl v průmyslovou špionáž (velice odborně provedená kradež řídícího PC, apod.)
Standardní vyhnilý odvodněný kal s cca 25% sušiny není schopen z hlediska své výhřevnosti samostatného hoření, nevyhnilý kal je na tom z hlediska výhřevnosti lépe ale jeho odvodnění je náročnější. Proto oba typy kalů potřebují dotaci energie pro jejich spalování, druhou možností je zvýšit obsah sušiny v kalu. Otázka je, která cesta je energeticky a ekonomicky výhodnější.
Likvidace kalů bude vždy zatížena spotřebou energie. Pokud se na problém podíváme z širšího úhlu musíme do jiných způsobů likvidace kalů započítat veškeré náklady na energie a náklady spojené s nakládáním s kalem, logistiku, naslednou manipulaci a podobně. Uvážíme-li veškerá fakta a předpoklady budocího vývoje v oblasti nakádání s odpady včetně čistírenských kalů vychází nejrozuměji jejich likvidace přímo v místě vzniku tj. v areálech ČOV. Spalování nevyhnilých kalů nabízí možnost vyloučit z technologie ČOV vyhnívací nádrže včetně biplynového hospodářství a ušeřené náklady invetsovat do spaloven integrovaných do technologie ČOV.

Komín

Do nedávné doby neexistovalo zařízení, pracující efektivně při malých výkonech, respektive spalování kalů bylo ekonomicky únosné pouze pro velké aglomerace přibližně od 1 mil eqv. obyvatel výše. Likvidace kalů pro menší aglomerace byla stále problém, zatížení logistikou zvyšovalo cenu spálení ve větších jednotkách. V současné době je k dispozici řešení fluidní tepelně degradační jednotky i pro výrazně nižšší výkon cca od 70 tis eqv. obyvatel, což radikálním způsobem mění situaci.
Zkušenosti z první realiazce spalovny kalů v ČR. První realizace fluidní spalovny v ČR o výkonu cca 1t/hod pro eqv. 100 000 obyvatel byla spojená s řadou problémů. První fluidní reaktor byl zatížen konstručními chybami, jednalo se v podstatě o prototypové zařízení. V rámci zkušebního provozu došlo k jeho úpravám a vylepšením. V době zkušebního provozu se stal shodou okolností doslova testovacím zařízením zcela nových principů a řešení v oblasti konstrukce fluidních reaktorů na termickou likvidaci čistírenských kalů. I když byl později demontován a nahrazen jiným typem reaktoru, ověřil v praxi řadu zcela nových principů, stejně jako jiné předpoklady vyvrátil. Přesto, že došlo k jeho demontáži byl zdrojem velice cenných zkušeností pro návrh následujících fluidních reaktorů již III.generace. Reaktor, který nahradil demontovaný typ je klasické konstukce z období druhé poloviny minulého století. Zkušenosti s jeho uvedením do provozu byly potvrzením správnosti některých předpokladů spojených s konstukcí prvního typu. Zejména o využití přídavného paliva ve fluidní vrstvě a dále vlivu způsobu dávkování kalu na dynamiku a efektivitu spalování kalu.
V průběhu zkušebního provozu obou typů zařízení byly získány cenné zkušenosti. Rozsah použitelného výkonu fluidního reaktoru může bý značný. Přibližně v rozsahu 50 až 150% nominálního výkonu. Oblast efektivního provozu je nižšší, přibližně od 80 do 120 %. Doba najetí reaktoru (s vláknitou vyzdívkou, reaktor I.typu) do spuštění spalování kalů (minimální výkon) cca 24 hod, dosažení plného (nomináního výkonu cca + 10 až +12 hod. Za provozu je reaktor poměrně necitlivý na kvalitu kalu (nevyhnilý, nevyhnilý kal % sušiny), na změny reaguje změnou spotřeby podpůrného paliva popřípadě úpravou výkonu. Pro tepelná zařízení libovolného typu jsou přiliš časté odstávky či výrazné změny režimu (přechod do teplé zálohy či radikální změny výkonu tj. nad 30% nominálního výkonu) destruktivní. Nejvýhodnější je nepřetržitý provoz s případnou jednou revizní odstávkou ročně.

Rezimé :
Termická degradace má své nesporé výhody
o Snížení objemu kalů až o 87 %
o Popel ze spáleného kalu je anorganický, v drtivé většině případů vyhovuje klasifikaci O, sterilní, inertni odpad červené barvy a prachové konzistence využitelný například ve stavebnictví.
o Těžké kovy navázany v nevyplavitelné podobě na sorbenty z procesu čištění emisí
o Plynné emise z provozu zařízení hluboko pod přípustnými limity, spalováním kalů se nezvyšuje bilance CO2 v obvzduší
o Provoz termické degradace nezatěžuje své okolí ani zápachem či hlukem. Veškeré manipulační čí skladovací prostory, například zásobníky nevyhnilého kalu jsou odsávány a odsáty vzduch je následně použit jako spalovací atd.
o Z hlediska koncepce je vyloučen unik nežádoucích látek ať už organické či anorganického základu z provozu termické degradace
o Termická degradace nevyhnilých kalů umožňuje vyřadit z technologie provozu ČOV vyhnívací nádrže včetně navazujících technologií využití bioplynu a uvolněný prostor je k dispozici pro technologie intenzifikace stavajících procesů čištění vody popřípadě k jiným účelům

Petr Leitner
Manager projektu realizace souboru P08, fluidni spalovna kalů ČOV Jihlava 2006 -2009