Твердое биотопливо

 

Комплексная технология его производства из илового кека очистных сооружений

Иловый кек очистных сооружений – масса темного цвета со специфическим сильным неприятным запахом, образующаяся при биоочистке сточных вод на аэротенках и являющаяся избыточной биомассой микроорганизмов активного ила. Как правило, иловый кек имеет влажность 65-80% и загрязнен различного рода тяжелыми металлами, болезнетворной микрофлорой и яйцами гельминтов.
Категория:

Описание

В силу специфических свойств илового кека, его переработка такими традиционными способами, как сбраживание в метантенках, компостирование с целью получения питательного
грунта, затруднительны и часто не отвечают требованиям экологической безопасности как самого продукта, так и технологического процесса. Представляемая технология решает проблему быстрого, экономически эффективного и экологически безопасного пути утилизации илового кека очистных сооружений, с получением ценного продукта – топливных пеллет или топливных брикетов.

Принципиальная блок-схема процесса и описание технических решений


Описание блок-схемы процесса
Иловый кек очистных сооружений в зависимости от отжимного оборудования, установленного на очистных сооружениях, может иметь влажность в пределах от 55 до 80%. В случае, если влажность илового кека более 65-70%, его подвергают дополнительной сепарации с целью уменьшения его влажности и снижения энергетических затрат на его последующую сушку. На стадии сепарации исходный иловый кек разделяется на твердую фазу, которая подается на стадию сушки и жидкую фазу, которую целесообразно вернуть на аэротенки очистных сооружений (по существу, это уже достаточно чистая вода, содержащая некоторое количество взвешенных частиц активного ила, что не создает излишней дополнительной нагрузки на очистные сооружения).
Иловый кек с изначальной влажностью менее 70% или с уменьшенной влажностью на стадии сепарирования подвергается стадии его сушки. Для сушки илового кека применяются аппараты аэродинамической сушки, работающей за счет эффекта
Ранка-Хильша. Аэродинамическая сушка позволяет осуществлять сушку без внешнего подвода тепловой энергии, за счет интенсивного массообмена между продуктом сушки и воздухом, с потоком которого удаляется вся избыточная влага. В процессе сушки не происходит нагрева продукта сушки выше 95оС, отсутствуют продукты его термического разложения, запахи. Преимуществом аэродинамической сушки, кроме ее энергоэффективности, является одновременное измельчение продукта сушки до порошкообразного состояния.
После операции сушки высушенная порошкообразная масса илового кека подвергается стадии торрефикации. Торрефикация сухой массы илового кека необходима по двум причинам. Первая причина – необходимо обеспечить чистоту его сгорания в бытовых котлах, печах, каминах, иных топочных устройствах, возможно выделение неприятных запахов и опасных для здоровья и экологии веществ. Выделение неприятных запахов обусловлено высоким содержанием азотистых и сернистых соединений в биомассе илового кека. Вторая причина – необходимость повысить теплотворную способность будущего топлива. Суть процесса торрефикации состоит в нагреве порошка до температур 200-270оС. При этой температуре происходит частичный распад органических соединений с отщеплением от их молекул низкомолекулярных соединений серы, азота, кислорода. В результате процесса торрефикации получается торрефицированная биомасса илового кека, и выделяются упомянутые низкомолекулярные продукты торрефикации. Торрефицированная масса используется в качестве непосредственного сырья для получения топливных пеллет или брикетов на последующей стадии производства. Низкомолекулярные продукты торрефикации дожигаются на стадии генерации топочных газов, служащих источником тепла в процессе торрефикации. Для генерации топочных газов сжигается топливо, в качестве которого может быть использован любой его вид, включая природный газ, уголь, непосредственно сам продукт сушки илового кека. Дымовые газы, отдавшие тепло торрефицируемой массе, перед их сбросом в атмосферу, подвергаются процессу обессеривания (стадия очистки сернистого газа), с выделением элементарной серы.
Заключительная стадия переработки илового кека в твердое биотопливо, является его прессование в топливные брикеты или пеллеты. Непосредственно перед брикетированием или пеллетированием в торрефицированную массу илового кека добавляют катализатор процесса горения на основе соединений бора в рабочей концентрации менее 0,01% (разработка и производство компании НИИХТ). Катализатор добавляется не только с целью улучшить характеристики полноты сгорания, но и перевести тяжелые металлы, содержащиеся в зольном остатке, образующемся при сгорании полученных топливных пеллет или брикетов в инертную и безопасную для окружающей среды форму.

Описание отдельных технических решений

Сепарация
Для сепарации используется серийно выпускаемое оборудование – шнековые сепараторы в режиме частичного рецикла жидкой фракции. Мощность шнекового сепаратора и его производителя определяется в зависимости от объемов производства и требований конечного эксплуатанта производственной линии.

Внешний вид типичного шнекового сепаратора,
выпускаемого промышленностью.

Сушка
Для реализации процесса аэродинамической сушки используется серийно выпускаемое оборудование некоторых фирм производителей. При этом, методы расчета и проектирования вихревых сушилок хорошо известны и описаны в технической литературе, что позволяет при необходимости изготовить нестандартное оборудование на любую требуемую производительность.

Внешний вид типичной аэродинамической сушилки
(на фото вихревая сушилка компании ООО «ТКМ»,
выпускаемой промышленностью.

Торрефикация
Процесс торрефикации осуществляется в трубчатых печах с вращающейся камерой или печах с виброжиженным слоем. Данное оборудование производится большим количеством фирм производителей, кроме того, оно легко проектируется и изготавливается, что дает возможность подобрать оборудование любой требуемой производительности, либо его спроектировать и изготовить.

Пример оборудования, пригодного для торрефикации биомассы (YIBU, Ltd).

Генерация топочных газов
Генерация топочных газов осуществляется в печном устройстве, путем сжигания некоторого количества выбранного доступного топлива (газа, биомассы, торфа и т.п.). Для сжигания топлива используются стандартные горелки, производимые очень большим количеством различных компаний.

Пример конструкции одной из горелок (ROT POWER) на твердом биотопливе.

Очистка сернистых газов
Ключевым узлом блока сероочистки сернистых газов являются два попеременно работающих емкостных аппарата, заполненных катализатором на основе сульфида молибдена. Реакция сероводорода с катализатором на основе сульфида молибдена идет уже при нормальной температуре с высокой скоростью и приводит к образованию полисульфидов молибдена и водорода, который окисляется до воды диоксидом серы. Полисульфид молибдена – термически нестойкое соединение, при нагреве до 160-180С разлагается до исходного сульфида и серы в расплавленном виде и выводится из процесса. Давление насыщенных паров серы при такой температуре практически отсутствует, т.е. расплав серы не обладает летучестью, и нет риска загрязнения воздуха рабочей зоны в момент его выгрузки. Циклы образования полисульфидов и их разложения осуществляются в реакторах попеременно (режим очистки газа от серы и режим регенерации катализатора с выделением элементарной серы). Данная технология разработана и апробирована компанией НИИХТ.

Брикеттирование или пеллетирование
Брикетирование или пеллетирование осуществляется с помощью стандартного оборудования, выпускаемого большим количеством различных фирм.

Внешний вид типичного пеллетирующего пресса
(на фото Munch RMP 420), выпускаемого промышленностью.

Преимущества технологии

Экологическая безопасность
Процесс переработки илового кека в твердое биотопливо, как и само полученное согласно представляемой технологии биотопливо, экологически безопасен и не наносит вред окружающей среде. Дополнительным преимуществом технологии является нейтральный баланс по углекислому газу при сжигании биомассы илового кека, поскольку количество углекислоты при сгорании полученного топлива равно количеству углекислоты в сумме процессов, приведших к образованию исходной биомассы илового кека.
Энергетическая эффективность
Процессы сепарации, аэродинамической сушки, удаления серы, пеллетирования расходуют наименьшее количество энергии в сравнении с другими альтернативными решениями. Возможность использования в качестве топлива непосредственно сам продукт сушки, а при необходимости, дооснащение технологической линии оборудованием по генерации электроэнергии, путем газификации продукта сушки и генерации электроэнергии посредством газопоршневой электростанции.
Экономическая эффективность
Капитальные затраты, а тем более эксплуатационные затраты производства твердого биотоплива из биомассы илового кека, значительно ниже иных способов его переработки и утилизации. Это объясняется использованием относительно недорогого серийного оборудования, его компактностью (нет необходимости в больших производственных площадях, как в случае с технологиями компостирования или сбраживания илового кека в метантенках), отсутствием опасных отходов как таковых.
Возможность в сжатые сроки создать производственную линию по переработке
биомассы илового кека практически любой производительности.
Такая возможность достигается благодаря использованию для реализации технологии преимущественно стандартных изделий и комплектующих очень широкого круга производителей, что в свою очередь дает возможность выбрать оборудование с оптимальными характеристиками и требуемой производительностью.
Гибкость и адаптивность к решению разных задач
Возможность работы на другом типе биомассы, возможность замены блока пеллетирования/брикетирования на блок газификации газопоршневой установки, с целью производства электроэнергии.

Свойства сырья и получаемого продукта

Сырье – иловый кек, пластичная масса с влажностью в диапазоне 60-80%, со специфическим неприятным запахом, зараженная яйцами гельминтов и, как правило, содержащая тяжелые металлы.

Внешний вид исходного илового кека с влажностью 80%.

После сушки образуется порошкообразная масса темного цвета. Ее свойства приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Наименование характеристики Значение характеристики
Рабочая масса
Низшая теплотворная способность рабочего топлива 3302ккал/кг
Содержание влаги 8,28%
Зольность 33,01%
Содержание минеральной углекислоты следы
Содержание серы (колчеданной и органической) 0,91%
Содержание углерода 33,18%
Содержание водорода 4,39%
Содержание азота 5,0%
Сухая смесь
Высшая теплотворная способность сухого топлива 3913ккал/кг
Зольность 35,99%
Содержание минеральной углекислоты следы
Содержание общей серы 1,09%
Горючая масса
Высшая теплотворная способность горючей массы топлива 6113ккал/кг
Содержание серы (колчеданной и органической) 1,54%
Содержание углерода 56,51%
Содержание водорода 7,48%
Содержание азота 8,52%
Выход летучих 86,41%
Вид кокса слипшийся
Температурные характеристики зольного остатка
TA (начало деформации) 1150°С
TB (плавление) 1170°С
ТС (жидкоплавкое состояние) 1260°С

 

Продукт сушки биомассы илового кека

После торрефикации высушенной биомассы илового кека, смешением ее с алюмосиликатной добавкой и последующим прессованием, получается конечный
продукт – топливные пеллеты или топливные брикеты (в зависимости от того, какое оборудование для прессования выделено). Теплотворные и иные свойства вещества, образующего топливные пеллеты или брикеты, приведены в таблице 2.

 

Топливные пеллеты (справа) и топливный брикет (слева)
Таблица 2.

Наименование характеристики Значение характеристики
Низшая теплотворная способность рабочего топлива 3980ккал/кг
Высшая теплотворная способность сухого топлива 4268ккал/кг
Высшая теплотворная способность горючей массы топлива 6998ккал/кг
Содержание влаги 5,35%
Зольность (рабочей массы) 36,12%
Содержание минеральной углекислоты следы
Содержание общей серы 0,14%
Содержание азота 0,4%
Вид кокса не спекшийся, с сохранением формы пеллеты
Температурные характеристики зольного остатка
TA (начало деформации) 1150°С
TB (плавление) 1170°С
ТС (жидкоплавкое состояние) 1260°С

Примечание к таблице 2.
1. Сера в составе топлива преимущественно взаимодействует с золой и не переходит в продукты сгорания.
2. Зола не содержит подвижных форм тяжелых металлов и утилизируется как бытовой отход.
3. Зольность продукта довольно высока, но позволяет использовать биотопливо во всех типах печных устройств, включая устройства с послоевым горением. В тех случаях, когда по каким-либо причине необходимо снизить зольность получаемого биотоплива на стадии его прессования, может быть применен прием компаундирования с другим горючим (низкозольным торфом, древесными опилками, углями и др.).

Напишите нам
Ваше имя *:
Ваш e-mail *:
Сообщение:

×