Kontakt

Ekotop
64-920 Piła, ul. Wawelska 25/1
tel. +48 67 215 36 89
fax +48 67 353 30 19
tel. kom. +48 603 363 469
ekotop@ekotop.eu

Forum Eksploatatora 3/2008 - Możliwości wykorzystania ciepła odpadowego do suszenia odpadów

mgr inż. Małgorzata Sypuła


"Możliwości wykorzystania ciepła odpadowego do suszenia odpadów"

Energia jest niezbędna do funkcjonowania każdego z nas, była, jest i jeszcze bardzo długo potrzebna będzie przyszłym pokoleniom. Jej postać, forma czy wykorzystanie może być różne, ale przede wszystkim wykorzystywana jest przy produkcji przemysłowej, transporcie, ogrzewaniu czy oświetleniu obiektów kubaturowych oraz towarzyszącej infrastruktury.

W dobie, zbliżającego się szybkim tempem kryzysu paliwowego i energetycznego myśl techniczna całego świata wychodzi naprzeciw poszukiwaniom rozwiązań, które mogłyby nie tylko zapobiec jego skutkom, ale przede wszystkim pozwoliły uniezależnić się od konieczności korzystania z ciągle drożejących konwencjonalnych nośników energii.

Początkowo zasoby energii dostarczane były przez środowisko w postaci surowców naturalnych nieprzetworzonych jak drewno, węgiel brunatny i kamienny, ropa naftowa czy gaz. Z czasem stały się głównym surowcem do produkcji większości dóbr codziennego użytku. Korzystanie bez umiaru z tak łatwo pozyskiwanych zasobów przyrody doprowadziło jednak do radykalnego zmniejszenia ich zapasów i podniesienia kosztów ich wydobycia.

Należy zaznaczyć, że wszystkie konwencjonalne źródła energii wykorzystywanej przez człowieka są nieodnawialne. W praktyce oznacza to, że zasoby paliw stałych takich jak węgiel brunatny czy kamienny oraz paliw ciekłych i gazowych sukcesywnie się kurczą.

Należy również podkreślić, że nieustanny wzrost gospodarczy oraz niebywały rozwój cywilizacyjny sprawia, iż popyt na energię stale wzrasta. Z tego względu energetyka konwencjonalna staje się coraz droższa, a korzystanie z niej coraz mniej opłacalne.

Taka postać rzeczy zmusza do przebudowy obecnego systemu energetycznego, który bazuje głównie na konwencjonalnych źródłach pozyskiwania energii. Dodatkową presję w poszukiwaniach nowych rozwiązań wywierają także zaostrzające się uregulowania prawne, u źródeł których tkwi dążenie do zmniejszenia obciążenia środowiska naturalnego emisjami ze spalania paliw konwencjonalnych.
Właśnie te powody skłaniają do tego, aby szukać alternatywnych rozwiązań wytwarzania energii (w stosunku do tradycyjnych technologii).

Chodzi tutaj przede wszystkim o odnawialne źródła wykorzystujące zasoby, których potencjał, pokłady i złoża są tak duże, że ich wyczerpanie przez ludzkość na obecnym poziomie rozwoju jest niemożliwe, oraz metody pozwalające na odzyskiwanie energii z odpadów i ścieków (recykling energetyczny), których człowiek był i będzie głównym producentem.
Recykling energetyczny zwany tez odzyskiem energii jest to proces, w którym odzyskuje się w części energię zużytą na wytworzenie wyrobów i produktów.
Recykling energetyczny obejmuje nie tylko spalanie odpadów, lecz także wytwarzanie z odpadów paliw stałych, ciekłych i gazowych oraz przetwarzanie ich na materiały termoizolacyjne.

W związku z powyższym energię możemy uzyskać z:
  • odpadów organicznych,
  • biogazu powstającego na składowiskach odpadów,
  • biomasy,
  • spalania odpadów
  • odzysku ciepła ze ścieków i ziemi.

W niniejszym artykule przedstawiono informacje na temat możliwości niekonwencjonalnych, metod wytwarzania alternatywnej energii na oczyszczalniach ścieków oraz wykorzystywania jej w celu wysuszenia odpadów powstających w wyniku procesu oczyszczania ścieków– osadów ściekowych.

Doskonałym, zasługującym na szczególną uwagę przykładem pierwszej funkcjonującej w Polsce instalacji, która w efektywny sposób wykorzystuje alternatywne źródła energii do suszenia osadów ściekowych jest oczyszczalnia ścieków w Dziarnach k. Iławy.
Jest to mechaniczno-biologiczną oczyszczalnia o średniej przepustowości Qdśr = 10 000 m3/d .
Roczna ilość osadów ściekowych powstająca w wyniku pracy oczyszczalni kształtuje się w granicach 3 000 t o średniej zawartości suchej masy oscylującej w granicach 20%.

Prowadzona dotychczas gospodarka osadami polegała na ich odwadnianiu: zarówno mechanicznym z wykorzystaniem wirówek, jak również naturalnym na poletkach ociekowych.

Odwodnione osady poddawane były procesowi kompostowania w pryzmach dynamicznych, jednakże ta metoda odzysku komunalnych osadów ściekowych, okazała się mało konkurencyjna pod względem nakładów eksploatacyjnych. Problemem pozostawało ciągłe utrzymanie dobrej jakości produktu końcowego - kompostu, oraz pozyskiwanie odbiorców. Kolejnym utrudnieniem było zdobywanie niezbędnych dodatków strukturalnych do kompostowania (słoma, trociny, odpady drzewne), które lokalnie wykorzystywane są w celach energetycznych, bądź w przypadku słomy stanowią cenny półprodukt do produkcji kompostu pieczarkowego, a co za tym idzie cena jej zakupu z roku na rok systematycznie wzrasta.

W przypadku wykorzystywania poletek osadowych do odwadniania osadów szczególnie problematyczne w warunkach krajowych okazują się anomalie pogodowe. Zbyt krótki okres trwania miesięcy bezopadowych nie sprzyjał odwadnianiu osadów na poletkach, a zaleganie osadów na dużych powierzchniach poletek bez ich napowietrzania powodowało powstawanie stref beztlenowych i wydzielanie nieprzyjemnych zapachów. W okresach ciepłej pory roku miliony muszek bytujących na osadach odwadnianych na poletkach stanowiły również poważną uciążliwość.

Biorąc pod uwagę dotychczasowe doświadczenia w gospodarowaniu osadami, a także niedoskonałość krajowych przepisów ochrony środowiska podjęto decyzję o realizacji technologii ekstensywnego suszenia z możliwością uzyskiwania produktu końcowego - suszu, nadającego się zarówno do dalszego przyrodniczego stosowania jak i możliwego do wykorzystania w celach energetycznych.

Drożejące w ostatnich latach paliwa konwencjonalne zniechęciły kierownictwo Wodociągów Iławskich do szukania rozwiązań tradycyjnych. Liczne wyjazdy na inne krajowe oraz zagraniczne oczyszczalnie i poszukiwanie „złotego środka” określiły następujące założenia:
  • instalacja do odzysku osadów ma wykorzystywać alternatywne źródła energii, w pierwszej kolejności energię słoneczną,
  • ciepło ścieków oczyszczonych, oraz ciepło ze spalania wytwarzanego na oczyszczalni biogazu,
  • niezbędna do funkcjonowania instalacji energia elektryczna pochodziła będzie z własnej produkcji (kogenerator),
  • barierą dla projektowanej instalacji nie będą też ograniczenia terenowe (oczyszczalnia dysponuje terenem o wielkości powyżej 20 ha).
Sugerując się powyższymi założeniami zaprojektowano słoneczna suszarnię osadów, w której wspomaganie efektu suszenia realizowane jest dzięki ogrzewanej posadzce.

Słoneczna suszarnia na oczyszczalni w Dziarnach jest inwestycją wielkopowierzchniową (o powierzchni ponad 1500 m2) usytuowaną w bezpośrednim sąsiedztwie stacji odwadniania osadów. Obiekt przypomina swoim wyglądem szklarnię ogrodniczą z dwuspadzistym dachem o wymiarach w rzucie 12 na 128 m i wysokości w kalenicy do 6 m.
Stalowa konstrukcja hali jest ocynkowana, a jej poliwęglanowe pokrycie umożliwia wytworzenie we wnętrzu tak zwanego efektu cieplarnianego. Powstającą dzięki promieniowaniu słonecznemu siłą napędową procesu suszenia w hali jest różnica ciśnień cząstkowych pary wodnej w powietrzu suszącym i pary nasyconej w warstwie nad powierzchnią osadów.
Z dotychczas przeprowadzonych badań wynika, że w warunkach klimatycznych panujących w Iławie, za pomocą energii słonecznej w ciągu roku można odparować średnio 988 kg wody z 1 m2 powierzchni czynnej suszarni. Zatem hala suszarnicza o łącznej sumarycznej powierzchni suszenia 1440 m2 umożliwi odparowanie dzięki słońcu w ciągu sezonu ok. 1 422 ton wody. Założony efekt uzyskiwany będzie w przypadku typowych warunków klimatycznych, pozbawionych anomalii tak często pojawiających się w ostatnich latach.

Dla uniezależnienia się od sytuacji nietypowych zastosowano dodatkowe wspomaganie suszenia ogrzewaniem podłogowym, którego zadaniem jest utrzymywanie dodatnich temperatur, szczególnie w okresach braku słońca, nocą, czy też okresach jesieni i zimy. Ogrzewana posadzka hali stanowi tzw. ogrzewanie płaszczyznowe – efektywny grzejnik przekazujący ciepło równomiernie na całej powierzchni do zgromadzonych na nim osadów. Ogrzewana posadzka posiada konstrukcję składającą się kolejno z warstw:
  • betonu chudego,
  • izolacji przeciwwilgociowej – folii PEHD,
  • izolacji termicznej – styropianu ,
  • izolacji przeciwwilgociowej – folii PEHD,
  • jastrychu, w którym zatopione są rury grzejne przymocowane do siatki zbrojeniowej.
Ogrzewanie podłogowe podzielone jest na cztery równoważne strefy grzewcze. Każda strefa posiada 10 obiegów (pętli) grzewczych o łącznej długości 1265 mb, co daje razem 5024 mb rur grzejnych.

Rury grzejne ułożone są w tzw. meander o odstępach 0,25m . Czynnikiem grzewczym, przekazującym ciepło na posadzkę, przepływającym wewnątrz przewodów grzewczych jest mieszanina glikolu z wodą. Wykorzystanie tego typu mieszaniny (dodatek glikolu przeciw zamarzaniu) zapewnia niezawodność funkcjonowania instalacji nawet w okresie panujących niskich temperatur zewnętrznych.

Efektywność pobierania ciepła przez osady zależała będzie od zawartości w nich wody. Wilgotniejsze osady łatwiej będą pobierały ciepło posadzki i oddawały zawartą w nich wodę. Intensywność parowania wspomagana będzie dzięki cyklicznemu mieszaniu i przerzucaniu osadów przerzucarką oraz wymuszonej wentylacji hal.

W celu dostarczenia ciepła na ogrzanie posadzki hali suszarni, zaprojektowano ciepłownię hybrydową wykorzystującą energię odnawialną z istniejącej instalacji biogazu oraz z pomp ciepła. Pierwotnie zaprojektowano dodatkową produkcję ciepła dzięki instalacji w pobliżu ciepłowni kolektorów słonecznych. Pomysłu tego jednak nie zrealizowano, a jako zamiennik zaprojektowano dostarczanie rurami preizolowanymi energii cieplnej wytworzonej przez układ kogeneracyjny.
Podstawowym urządzeniem ciepłowni hybrydowej wytwarzającym energię cieplną są pompy ciepła pracujące w układzie kaskadowym. Aktualnie zainstalowana została jedna pompa o wysokiej sprawności cieplnej, współczynnik COP = 4 (w praktyce oznacza to, że z 1kW pobranej energii, pompa jest w stanie wytworzyć 4 kW energii).
Pompa ciepła jest nowoczesnym, ekologicznym, tanim w eksploatacji i w pełni bezobsługowym urządzeniem.
Po krótce postaram się wyjaśnić zasadę działania pompy ciepła. Pompa ciepła działa identycznie jak klasyczne sprężarkowe urządzenia chłodnicze, czyli lodówki. Inny jest tylko sposób zagospodarowania uzyskiwanego ciepła i “zimna”. W pompie ciepła parownik służy do pozyskiwania, przy niskiej temperaturze, ciepła z otoczenia. W skraplaczu to samo ciepło oddawane jest, przy wyższej temperaturze, do ogrzewanego medium. “Transport ciepła” od niższej do wyższej temperatury realizowany jest w zamkniętym obiegu termodynamicznym, w którym krąży w sposób ciągły czynnik roboczy (np.freon), będący nośnikiem energii cieplnej. Podlega on następującym po sobie przemianom termodynamicznym, stanowiącym zamknięty lewobieżny obieg termodynamiczny. Sprężarka pompy ciepła zasysa pary czynnika chłodniczego z parownika przy niskim ciśnieniu (około od 3 bar do 6 bar) i temperaturze (około od -5 °C do 5 °C) i spręża do wysokiego ciśnienia (około 25 bar) i temperatury (około 90 °C). Za sprężarką pary czynnika są przegrzane. Pary te są skraplane w skraplaczu, oddając ciepło przy temperaturze około 60°C wodzie lub powietrzu wykorzystywanemu do grzania. Skroplone pary czynnika chłodniczego są dławione w zaworze rozprężnym do niskiego ciśnienia i temperatury panującej w parowniku. W parowniku ciecz czynnika chłodniczego odparowuje, przy czym ciepło potrzebne do parowania pobiera z obiegu dolnego źródła.

W przypadku opisywanej ciepłowni hybrydowej jako dolne źródło ciepła wykorzystywana jest energia z gruntu oraz oczyszczonych ścieków przepływających przez jeden z osadników wtórnych, która odbierana jest dzięki zainstalowanym kolektorom (rury PE) wypełnionych mieszaniną glikolu z wodą i przekazującą energie do pompy ciepła. Mieszanina glikolu z wodą gwarantuje niezawodność funkcjonowania instalacji nawet w okresie niskich temperatur zewnętrznych (głównie zimą).

Idea wykorzystania ciepła ze ścieków oczyszczonych przepływających przez osadnik wtórny jest idealnym rozwiązaniem godnym polecenia, ponieważ stanowi niewyczerpalne źródło energii. Dopóki funkcjonowała będzie oczyszczalnia ścieków, dopóty wytwarzane będą ścieki oczyszczone. Temperatura ścieków oczyszczonych nawet w najsroższą zimę nie będzie spadała poniżej 6oC. Odzyskiwanie energii w takim miejscu układu technologicznego, jakim jest osadnik wtórny nie wpłynie na zaburzenia pracy oczyszczalni, a schłodzone o 2 -3oC oczyszczone ścieki odprowadzane do odbiornika swoją temperaturą będą bardziej zbliżone do naturalnej temperatury cieków wodnych.
Rozwiązanie takie jest jedynym w swoim rodzaju, dotychczas funkcjonującym w Polsce. Drugim podstawowym źródłem energii cieplnej w zaprojektowanej kotłowni alternatywnej jest kocioł c.o. z palnikiem przystosowanym do spalania biogazu. Zarówno pompa ciepła jak i piec do spalania biogazu mogą pracować niezależnie od siebie, ale mogą również uzupełniać się w dostawie ciepła do posadzki grzewczej.

Należy nadmienić, że zużywana przez pompę ciepła energia elektryczna pochodzi z własnego kogeneratora.
Kogeneracja to inaczej skojarzona gospodarka energetyczna, oparta na jednoczesnym wytwarzaniu ciepła i energii elektrycznej. Szczególnie atrakcyjnym nośnikiem energetycznym dla układów kogeneracyjnych jest biogaz powstający podczas biologicznej konwersji biomasy, a w przypadku oczyszczalni ścieków w wyniku stabilizacji osadu pochodzącego z oczyszczania ścieków w procesie fermentacji metanowej w wydzielonych komorach fermentacyjnych, jako wynik złożonego, wieloetapowego procesu z udziałem kilku grup drobnoustrojów. Wartość opałowa biogazu zależy od zawartości metanu i dla średnich warunków (50-60% CH4) wynosi od 16,8 do 23 MJ/m3. Podstawową zaletą tego paliwa jest jego uniwersalność, która przewyższa inne źródła odnawialnej energii. Biogaz może być źródłem ciepła i energii elektrycznej w układach kogeneracyjnych, lub też po oczyszczeniu wtłaczany do sieci gazowniczej.
Proces produkcji biogazu na oczyszczalni ścieków w Dziarnach prowadzony jest w zamkniętych wydzielonych komorach fermentacyjnych o wysokości 17 m, średnicy 15 m i objętości 1885 m3. Aktualnie pracuje jedna komora, trwają prace na uruchomieniem drugiej.

Ponieważ tzw. „surowy biogaz” posiada w swoim składzie chemicznym siarkowodór (powodujący często korozję elementów stalowych), z WKFz kierowany jest do stacji odsiarczania. Odsiarczony biogaz trafia do zbiornika magazynowego skąd odbywa się pobór biogazu do celów energetycznych, dzięki temu biogaz jest pod stałą kontrolą ciśnienia, wilgotności i kaloryczności. Znajdujący się na oczyszczalni w Dziarnach zbiornik biogazu to dwumembranowy elastyczny balon, o pojemności 1050 m3, wykonany z poliestru pokrytego PVC zabezpieczonego przed pleśnią i promieniami UV. Zbiornik jest wyposażony w balast regulacyjny, zapewniający właściwy kształt membrany wewnętrznej w czasie napełniania i opróżniania oraz system regulacji ruchu membrany. Posiada również wzierniki wizualizacji kontroli stanu napełnienia zbiornika, zawory bezpieczeństwa i własny system kontrolno – pomiarowy zintegrowany z systemem automatyzacji całej oczyszczalni.
Ze zbiornika biogaz jest przekazywany pod stałym ciśnieniem do układu kogeneracyjnego.

Kogenerator funkcjonujący na oczyszczalni ścieków w Dziarnach zbudowany jest w oparciu o agregat prądotwórczy wyposażony w silnik spalinowy zasilany biogazem Silnik gazowy zamienia energię skumulowaną w biogazie na energię mechaniczną i cieplną. Energia mechaniczna wykorzystywana jest do napędu generatora synchronicznego, który wytwarza energię elektryczną na pokrycie potrzeb własnych oczyszczalni, między innymi do zasilania urządzeń elektrycznych ciepłowni hybrydowej oraz oświetlenia, wentylacji mechanicznej i przerzucarki osadów w hali słonecznej suszarni. Nadwyżka energii elektrycznej w praktyce przekazana jest do publicznej sieci elektroenergetycznej. Należy zaznaczyć, że ciepło powstające w silniku, w najbliższym czasie zostanie wykorzystane jako jedno z wielu źródeł ogrzewania posadzki w hali słonecznej suszarni. Obecnie ciepło to przekazywane jest do podgrzewania osadu ściekowego w komorze fermentacyjnej do temperatury 32-34 °C, co wspomaga produkcję biogazu, oraz jest doprowadzane do instalacji grzewczej oczyszczalni.
Opisywany w niniejszym artykule system odzysku rożnych rodzajów energii niekonwencjonalnej przedstawiono na poniższym schemacie.


Schemat wykorzystania niekonwencjonalnych źródeł energii na oczyszczalni ścieków w Dziarnach

Oczyszczalnia ścieków w Dziarnach jest jedną z nielicznych, na której wykorzystano wiele możliwości odzysku energii niekonwencjonalnej, w tym również ciepła odpadowego do suszenia komunalnych osadów ściekowych. W dobie drożejących paliw tradycyjnych rozwiązanie takie jest rozwiązaniem godnym naśladowania i rozwijania. Miejmy nadzieję, że pierwsze lata eksploatacji pokażą jakie oszczędności oczyszczalnia uzyskała z zastosowania rozwiązań nietypowych.
Na podsumowanie warto wspomnieć, że projekt słonecznej suszarni z podgrzewaną posadzką przy użyciu alternatywnych źródeł energii uzyskał pozytywną opinię prezesa EkoFunduszu prof. Macieja Nowickiego i uznany został jako obiekt referencyjny nadający się do powielania na innych oczyszczalniach.
Pliki do pobrania



Informacja o nowych zasadach dotyczących cookies

ZAMKNIJ

Na naszej stronie stosujemy pliki cookies w celu zapewnienia jej prawidłowej funkcjonalności. Informujemy, że te pliki są przechowywane w Twoim urządzeniu, z którego ta strona jest wyświetlana. Więcej informacji na ten temat można znaleźć tutaj. W każdej chwili możesz dokonać zmian dotyczących tych plików w swoim urządzeniu.