Współspalanie komunalnych osadów ściekowych z węglem

Zagospodarowanie osadów ściekowych jest jednym z najpoważniejszych problemów ekologicznych w kraju, ponieważ możliwości związane z rolniczym wykorzystaniem tych odpadów oraz ich składowaniem są coraz bardziej ograniczone.

Jedną z racjonalnych metod wykorzystania komunalnych osadów ściekowych jest odzysk energii na drodze ich współspalania z węglem w istniejących obiektach energetycznych. Istotnymi zaletami takiego sposobu utylizacji osadów ściekowych są m.in.: niskie koszty inwestycyjne i operacyjne procesu, bezpieczeństwo technologiczne i środowiskowe, możliwość korzystania z wiedzy personelu doświadczonego w obsłudze ruchowej kotłów oraz wykorzystanie istniejącego układu oczyszczania spalin.

Należy jednak podkreślić, że proces współspalania komunalnych osadów ściekowych z węglem kamiennym jest procesem przekształcania termicznego odpadów, a instalacja przemysłowa, w której proces ten zachodzi jest instalacją współspalania odpadów. Przywołana kwalifikacja, determinuje konieczność spełnienia przez instalację, w której proces ma być prowadzony, odpowiednich wymagań, zarówno formalno-prawnych, jak i technicznych ^[1].
Współspalanie osadów ściekowych prowadzone jest w krajach Europy Zachodniej w wielu elektrowniach, przede wszystkim w Niemczech, Belgii i Holandii. Wśród niemieckich elektrowni spalających ponad 10 tys. Mg s.m. osadów ściekowych rocznie, można wymienić elektrownie Duisburg H. Stadtwerke, Franken II Bayernwerke, Heilbronn EnBW, Weiher II SaarEnergie, czy Zolling Bayernwerke ^[2-4]. Stosowane w tych elektrowniach dodatki osadów ściekowych nie przekraczają 10% m/m.
Analiza dostępnych danych w zakresie parametrów energetycznych i emisyjnych w tych obiektach wykazuje brak istotnych odchyleń w funkcjonowaniu instalacji kotłów w porównaniu do ich eksploatacji z wykorzystaniem samego węgla. Zauważono jedynie nieznaczny wzrost wskaźników emisji niektórych substancji gazowych oraz wzrost zawartości metali ciężkich w popiołach lotnych.
Możliwości współspalania w kotłach pyłowych jako efektywnego sposobu odzysku energii z osadów ściekowych przedstawiono poniżej w oparciu o przykład działającej instalacji przemysłowej z obszaru UE oraz wyniki testów przemysłowych przeprowadzonych w kraju przez Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla.

Współspalanie osadów ściekowych z węglem w Elektrowni Heilbronn EnBW
Interesującym przykładem współspalania osadów ściekowych z węglem jest niemiecka elektrownia o mocy 760 MW, zlokalizowana w miejscowości Heilbronn. W Elektrowni tej współspala się z węglem odwodnione osady ściekowe o zawartości suchej masy ~25% ^[5].
Elektrownia Heilbronn wyposażona jest w kotły pyłowe z tangencjalnym układem palników. Temperatura w środkowej strefie kotła przekracza 1200oC. Wydajność eksploatowanych w niej czterech walcowych młynów węglowych wynosi około 240 Mg węgla na godzinę. W elektrowni tej spalany jest zarówno niemiecki węgiel kamienny, jak również węgiel z importu. Elektrownia Heilbronn posiada instalację oczyszczania spalin wyposażoną w nowoczesny układ katalitycznej redukcji NOx oraz węzeł chemisorpcyjnego usuwania tlenków siarki z wykorzystaniem wapienia.
W 1996 r. w Elektrowni Heilbronn przeprowadzono testy współspalania 3700 Mg wysuszonych i mechanicznie odwodnionych osadów ściekowych. Ilość współspalanych osadów ściekowych dochodziła do 4% w przeliczeniu na udział energii chemicznej w całkowitym strumieniu energii chemicznej wprowadzanej do kotła. W lutym 1998 r. elektrownia uzyskała pozwolenie na współspalanie wysuszonych osadów ściekowych, a pół roku później – na współspalanie osadów odwodnionych mechanicznie. W 1998 r. współspalono w tej elektrowni 15 tys. Mg osadów wysuszonych oraz 20 tys. Mg osadów mechanicznie odwodnionych. Doświadczenia uzyskane przy współspalaniu w tej elektrowni wskazują, że współspalanie osadów odwodnionych mechanicznie stwarza mniej operacyjnych i środowiskowych problemów.
Odwodnione mechanicznie osady ściekowe wprowadzane są bezpośrednio do młynów węglowych. Parametrem limitującym ilość wprowadzanych do młynów osadów jest wydajność odparowania wody, co wymaga właściwego zaprojektowania podgrzewaczy powietrza. Dlatego też udział osadów ściekowych w mieszance paliwowej zależy od zawartości wilgoci w węglu i osadach. Przy 2% energetycznym udziale osadów ściekowych w mieszance paliwowej, dodatkowa wilgoć doprowadzana do mieszanki wraz z osadami ściekowymi powoduje obniżenie temperatury w młynach ze 100oC do 85oC. Współspalanie osadów ściekowych jest przerywane w przypadku, gdy wilgoć węgla kierowanego do spalania przekracza wartość 14%. Współspalanie osadów ściekowych w Elektrowni Heilbronn nie powoduje żadnych negatywnych skutków środowiskowych. Nie odnotowano wzrostu emisji SO2, NOx, metali ciężkich, gazów kwaśnych oraz dioksyn. Emisja zanieczyszczeń spełnia niemieckie standardy emisyjne i jest zaprezentowana w tabeli 1.

Tab. 1. Porównanie emisji zanieczyszczeń ze spalania węgla i współspalania osadów ściekowych w Elektrowni Heilbronn

Składnik spalin	Dopuszczalne wielkości emisji dla elektrowni węglowych	Przeciętne wartości emisji
		100% węgiel	96% węgiel + 4% osady ściekowe
	mg/m3	mg/m3	mg/m3
CO	150	3÷10	4.7÷8.5
SO2	400	80÷270	175÷270
NOx	200	150÷190	170÷180
pył	50	5÷20	4.6÷6.1
HF	10	1÷3.4	1.5÷2.5
HCI	90	0.6÷7	0.7÷2.3
TOC	-	1.0	0.3÷1.3
Cd, Ti	-	<0.005	<0.005
Hg	-	0.3÷12 (µg/m3)	0.1÷13 (µg/m3)
Metale ciężkie	-	<0.075	<0.075
Dioksyny/Furany	-	<5 (pg/m3)	<5 (pg/m3)

Jak widać na podstawie zaprezentowanego przykładu, współspalanie osadów ściekowych z węglem kamiennym w kotłach energetycznych, przy niedużym udziale osadów w mieszance paliwowej, nie powinno powodować perturbacji ruchowych, jak i środowiskowych. Co więcej, przykład ten wskazuje, że możliwe jest nawet skuteczne współspalanie w kotłach pyłowych osadów mechanicznie odwodnionych

Przemysłowe testy współspalania osadów ściekowych w Elektrociepłowni Wybrzeże S.A.
W październiku 2005 r. w Elektrociepłowni Wybrzeże S.A. w Gdańsku, przeprowadzono po raz pierwszy w Polsce przemysłowe testy energetyczno-emisyjne współspalania wysuszonych komunalnych osadów ściekowych w kotle pyłowym. Jednostką nadzorującą przebieg badań i ich głównym wykonawcą był Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu. Celem testów było określenie technicznych i technologicznych możliwości realizacji procesu przy 1% udziale osadów w strumieniu paliwa, a także spełnienia obowiązujących w tym zakresie wymagań legislacyjnych ^{[6, 7]}. Proces współspalania ustabilizowanych komunalnych osadów ściekowych z węglem kamiennym jest bowiem procesem przekształcania termicznego odpadów innych niż niebezpieczne, a instalacja przemysłowa, w której proces ten zachodzi jest instalacją współspalania odpadów. Poniżej przedstawiono wybrane rezultaty tych badań.
W trakcie testów współspalania wysuszonych osadów ściekowych z węglem w kotle OP-230 EC Wybrzeże, spalono około 25 Mg osadów ściekowych, pochodzących z Oczyszczalni Ścieków „Gdańsk-Wschód”, wysuszonych do poziomu zawartości wilgoci poniżej 10%. Wysuszone w mobilnej instalacji osady dostarczono do elektrociepłowni autocysterną. Dozowanie osadu do instalacji nawęglania kotła prowadzono z wykorzystaniem specjalnie do tego celu zaprojektowanej i wybudowanej instalacji, zaopatrzonej w zbiornik buforowy, dozownik obrotowy celkowy oraz podajnik ślimakowy.
Osady z autocysterny przeładowano do instalacji dozowania osadu z wykorzystaniem transportu pneumatycznego. Osady dozowano razem z węglem do jednego młyna węglowego. Z młyna, w którym mielono z węglem osady ściekowe, mieszanka paliwowa podawana była do dwóch palników umieszczonych w środkowej i górnej strefie opalania kotła. Skierowanie mieszanki paliwowej do tych palników miało zapewnić pełne dopalenie osadów przed ich ewentualnym przedostaniem się do strefy spustu żużla. Przed rozpoczęciem testów przeprowadzono kalibrację podajników węgla oraz osadu. Wydajność podajników węgla określano z ich charakterystyki w oparciu o odczyt nastaw regulacyjnych w nastawni. Dla wyznaczonej sumarycznej ilości węgla dobierano odpowiednią nastawę dozownika osadu ściekowego tak, aby zapewnić jego pożądany udział w mieszance paliwowej. Spalanie osadów prowadzono całodobowo. Testy energetyczno-emisyjne kotła przeprowadzono porównawczo dla przypadków spalania węgla oraz mieszanki paliwowej zawierającej ~1% m/m wysuszonych osadów ściekowych, przy takim samym obciążeniu kotła. Badania kotła oraz obliczenia wykonano zgodnie z polską normą PN-72/M-34128: „Kotły parowe. Wymagania i badania odbiorcze” oraz procedurami akredytowanego Laboratorium Spalania IChPW. W każdym teście pomiary prowadzono przez okres kilku godzin w warunkach ustalonego stanu pracy kotła.

Zakres pomiarów obejmował:

• badania właściwości fizykochemicznych węgla, wysuszonego osadu ściekowego oraz ubocznych produktów spalania/współspalania
• określenie rozkładu temperatury w rożnych strefach komory paleniskowej kotła,
• określenie wielkości emisji zanieczyszczeń, jak dla współspalania odpadów (za wyjątkiem dioksyn i furanów).

Należy stwierdzić, że podczas przeprowadzonych testów współspalania osadów ściekowych z węglem w kotle OP-230 nie stwierdzono zasadniczych problemów technicznych w pracy układu dozowania osadów oraz kotła. Podczas testów, warunek zapewnienia minimalnego poziomu temperatury gazów spalinowych wynoszący 850^oC, był dotrzymany z dużym nadmiarem w całym rozpatrywanym obszarze komory spalania (pomiędzy drugim poziomem palników, a końcem komory spalania). Na rysunku 1 przedstawiono interpolowane rozkłady temperatury spalin wzdłuż wysokości komory spalania z uwzględnieniem odległości od powierzchni ekranów.

Rys. 1. Wyniki pomiarów rozkładu temperatury spalin wzdłuż wysokości komory spalania

Jednocześnie jednak, średnie wartości czasów przebywania spalin w strefie po ostatnim doprowadzeniu powietrza (od dysz OFA) nie spełniały wymaganego legislacyjnie czasu przebywania gazów spalinowych w strefie temperatur powyżej 850oC, wynoszącego minimum 2 sekundy (tabela 2).

Tab. 2. Wyniki obliczeń średniego czasu przebywania spalin w komorze spalania

Parametr	Jedn.	Spalanie węgla kamiennego	Współspalanie 1% m/m osadów ściekowych
Średnia temperatura spalin w komorze spalania	oC	1052,5	981,5
Strumień objętości spalin w warunkach normalnych	m3/h	201701,8	204960,3
Strumień objętości spalin w warunkach rzeczywistych	m3/h	979325,2	941841,2
Średnia prędkość spalin	m/s	4,9	4,7
Długość drogi przepływu spalin od górnego poziomu dysz OFA do poziomu 24m	m	5,1	5,1
Czas przebywania spalin, w warunkach rzeczywistych	s	1,05	1,09

Uzyskane wartości były praktycznie o połowę mniejsze i wynikały ze zbyt krótkiego odcinka drogi przepływu gazów spalinowych. Badany kocioł spełniał aktualne standardy emisyjne dla wszystkich zanieczyszczeń objętych decyzją o dopuszczalnej emisji, zarówno przy spalaniu węgla, jak i przy 1% udziale osadów ściekowych w paliwie (tabela 3). Spadek sprawności kotła podczas współspalania osadów ściekowych był przy tym praktycznie niezauważalny.

Parametr	Jedn.	Udział osadów w paliwie		Dopuszczalna emisja
Udział osadów w paliwie	% wag	0%	1%
Obciążenie kotła	Mg pary/h	202,0	201,4
Sprawność en. kotła (brutto)	%	92,48	92,0
Charakterystyka emisyjna spalin
O2	% obj.	6	6	6
NOx	mg/m3n	476,7	471,8	500
SO2	mg/m3n	1305,5	1144,6	1553
CO	mg/m3n	14,9	13,6	225
Pył	mg/m3n	32,0	36,4	350
HCl	mg/m3n	<0,21	0,57	-
HF	mg/m3n	<0,35	<0,35	-
TOC	mg/m3n	7,6	27,6	-
Hg	mg/m3n	0,0062	0,0064	-

Biorąc pod uwagę krajowe wymagania jakościowe dotyczące żużli i popiołów pochodzących ze współspalania odpadów, określające dopuszczalny udział części palnych w żużlach i popiołach paleniskowych na 5%, stwierdzono, że w przypadku żużli ze współspalania osadów ściekowych w kotle OP-230 warunek ten został dotrzymany. Stwierdzono jednak nieznaczne przekroczenie zawartości części palnych w popiele ze współspalania osadów. Ponieważ przekroczenie tego parametru nastąpiło już w przypadku spalania samego węgla, można wnioskować, że dotrzymanie wymaganej zawartości części palnych nie jest uwarunkowane dodatkiem osadów ściekowych do spalanego węgla, a wynika jedynie z warunków procesowych spalania.

Podsumowując, należy stwierdzić, że proces współspalania wysuszonych osadów ściekowych w kotłach pyłowych opalanych węglem kamiennym przy udziale w paliwie do 1% m/m nie sprawia technicznych i technologicznych problemów. Proces ten nie stwarza także nadmiernych zagrożeń środowiskowych, wynikających z podwyższenia emisji zanieczyszczeń. W warunkach polskich, proces współspalania osadów ściekowych z węglem w istniejących kotłach energetycznych wydaje się bardzo obiecującym sposobem zagospodarowania komunalnych osadów ściekowych. Jednak trzeba stwierdzić, iż proces ten powinien być realizowany tylko w instalacjach kotłowych umożliwiających dotrzymanie formalnych wymagań technicznych odnośnie współspalania odpadów. Szczególnie trudny do dotrzymania jest warunek zapewnienia minimalnego czasu 2s przebywania spalin w obszarze temperatury powyżej 850oC w konstrukcjach kotłowych do tego celu specjalnie nie przygotowanych. Z kolei przekroczenie 1% udziału osadów ściekowych w mieszance paliwowej, przy aktualnej konfiguracji układów oczyszczania spalin w większości instalacji krajowej energetyki, może powodować problemy z dotrzymaniem legislacyjnych wymagań w zakresie standardów emisyjnych dla współspalania odpadów.

Literatura

---

1. Stelmach S., Wasielewski R.: „Formalno-prawne uwarunkowania odzysku energii ze wspołspalania komunalnych osadów ściekowych”, Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, 9, 2008, s. 59-68.
2. Disposal and Recycling Routes for Sewage Sludge. Scientifi c and technical sub-component report, European Comission, 23 October, 2001.
3. Werther J., Ogada T.: Sewage sludge combustion. Progress in Energy and Combustion Science, 25, 1999, s. 55÷116.
4. Richers U., Scheurer W., Seifert H., Hein K.R.G.: Present Status and Perspectives of Co-combustion in German Power Plants, Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, Karlsruche, 2002.
5. www.dirkgroup.com.
6. Stelmach S., Wasielewski R.: “Cocombustion of dried sewage sludge and coal in pulverized-coal boiler”, Journal of Material Cycles and Waste Management, 10, 2008, s.110-115.
7. Stelmach S., Zuwała J., Wasielewski R., Hrycko P.: „Analiza Energetyczno-emisyjna współspalania komunalnych osadów ściekowych na przykładzie testów przemysłowych kotła pyłowego OP-230 w Elektrociepłowni „Wybrzeże” - Gdańsk, Monografia Współspalanie biomasy i paliw alternatywnych w energetyce, Praca zbior. pod red. M. Ściążko, J. Zuwała, M. Pronobis, Wyd. IChPW Zabrze, 2007, s. 295-309.