Szennyvíziszap értékesítése termokémiai eljárással elgázosítás

Átírás

1 KÖRNYEZETRE ÁRTALMAS HULLADÉKOK ÉS MELLÉKTERMÉKEK 7.5 Szennyvíziszap értékesítése termokémiai eljárással elgázosítás Tárgyszavak: szennyvíziszap; hasznosítás; lerakás; termikus szárítás; égetés; együttégetés; termokémiai eljárás. Magyarországon a csatornarendszerek szennyvizei nem elhanyagolható mennyiségben jutnak folyóinkba. Az EU-ba való csatlakozás feltételei között a közművesítés és ezen belül kiemelten a vízellátás, valamint a szennyvízkezelés szerepelnek. Nyilvánvaló, hogy néhány éven belül jelentős mennyiségű szennyvíziszap keletkezésével kell számolnunk. Az is kétségtelen, hogy kellő időben kell gondoskodnunk az iszap eltávolításáról, lehetőleg gazdaságos, ugyanakkor higiénikus ártalmatlanításáról. Komoly kutatások vannak folyamatban a szennyvíziszap mennyiségének csökkentése érdekében. Ugyanakkor kétségtelen, hogy ez az iszapmennyiség nem csak, hogy nagy, hanem a lakosság létszámának növekedésével és a szennyvíztisztító rendszerek mennyiségének szaporodásával tovább fog növekedni. Így például Franciaországban jelenleg mintegy 12 E szennyvíztisztító telep működik, amelyek kb. 850 E t mennyiségű szárazanyagot, iszapot termelnek. Feltételezhető, hogy 2005-re ez a mennyiség eléri az 1,3 M t-t. Erről az Európai Direktívák évi, 91/271 szennyvizekre vonatkozó előírása is gondoskodik. Jelenleg a szennyvíziszapot különböző, hagyományosnak mondható módszerekkel hasznosítják: mezőgazdasági felhasználás, szétterítés, lerakás, elégetés. A szennyvíziszap-kezelési módszerekre egyre szigorúbb előírások vonatkoznak. Leggyorsabban a termikus kezelési módszerek (égetés) fejlődnek. Többek között szóba kerül a háztartási hulladékkal való együttégetés. Az égetés C hőmérsékleten történik, és az eltávozó füstgázok hőtartalmát részben visszanyerik. A termikus kezelési módszerekhez sorolhatók a különböző termokémiai hasznosítási eljárások is, amelyeket jelenleg, szennyvíziszap esetében még nem fejlesztettek ki kellőképpen.

2 Az 1. ábra tünteti fel a jelenleg Európában rendelkezésre álló különböző szennyvíziszap-hasznosítási módszereket. tengerbe 6% (0%) égetés 11% (20%) egyéb 6% (0%) mezőgazdaság 37% (60%) lerakás 40% (20%) 1. ábra Az iszap különböző rendeltetéseinek megoszlása 1998-ban (zárójelben a Franciaországra érvényes adatok) Ezeket a módszereket minőségi kritériumok alapján értékelték: Környezetvédelem, egészségvédelem: az iszap patogén szervezeteket, vírusokat, nehézfémeket, szerves klórvegyületeket és más vegyi anyagokat tartalmaz. A választott kezelési eljárástól függően, bizonyos szabályokat kell betartani. Elvileg, 2002-től kezdve minden iszapot pasztőrözni kell (30 perces kezelés 65 C hőmérsékleten). Ez már vonatkozik a szárításra, égetésre és a termokémiai kezelésére is. Az iszap hasznosítása: az iszap felhasználásának hozzáadott értéket kell termelnie tápérték szempontjából, mezőgazdasági felhasználás esetén (N, P, K) vagy termikus hasznosítás esetén energiát kell belőle nyerni. A fentebb említett hozzáadott érték nagyobb kell, hogy legyen, mint a létesítéshez szükséges beruházás. A haszonnak nagyobbnak kell lennie, mint az eljárás teljes környezeti, szociális és gazdasági kihatása, különös tekintettel a CO 2 -termelésre. Az iszap kezelés előtti vagy utáni esetleges szállítását minimumra kell csökkenteni, mivel rohamosan növeli a kezelési költségeket.

3 A szennyvíziszap különböző hasznosítási lehetőségei tehát az alábbiak: mezőgazdasági hasznosítás, szárítás, égetés, termokémiai hasznosítás. Az alábbiakban a hagyományos módszerek bemutatására kerül sor. Ezeket összehasonlítjuk a továbbiakban bemutatásra kerülő termokémiai módszerekkel. Az utóbbiak esetében külön figyelmet szentelünk az elgázosítási módszernek. Szennyvíziszapok hagyományos hasznosítási módszerei Mezőgazdasági hasznosítás Az N, P és K tartalmú termékek műtrágyában vagy egyszerűen a mezőgazdasági területeken, erdőkben szétterítve hasznosíthatók. Ez lehetővé teszi a gyakran drága műtrágyák helyettesítését és a szerves anyagok természetes úton való visszatáplálását. Fontos megjegyezni, hogy különös figyelmet kell szentelni az iszap minőségének (vírusok, vegyi anyagok, nehézfémek stb.), nehogy ezek a szennyezők bekerüljenek az élelmiszertermelési láncba. Szigorú ellenőrzésre van szükség. Az anaerob erjesztéssel nem lehet minden patogén szervezetet és vírust elpusztítani. Ezt vagy az iszap termikus szárításával, vagy vegyi stabilizálásával lehet elérni. Egyre szigorúbb előírásokat érvényesítenek a mikroszennyezők és a nehézfémek szempontjából. Egyik módszer a komposzt előállítása iszap (50% tömegarány) és melléktermékek (szalma, fűrészpor, fakéreg, zöld hulladék) keverékéből. A komposztálás lényegében az erjeszthető szerves anyagok aerob lebontása. Négy óra hosszat C hőfokon kell tartani. Humuszus anyagokban gazdag komposzt képződik, és a hő hatására CO 2, NH 3, H 2 O, N 2 szabadul fel. Bár ez a lehetőség a kezelt iszap mennyisége szempontjából fontos lenne, azonban jelenleg csupán a francia mezőgazdasági terület 1%-át érinti. Lerakás megfelelő helyen Ennek a módszernek fő előnye az egyszerűsége. Hátránya egyrészt a kellemetlen szag, ha az iszap stabilizálása nem volt megfelelő, másrészt a nehézfémek dúsulása. Végeredményben csupán a végső hulladék kerülhet lerakóra. Meg kell jegyezni, hogy 1998 óta Európában tilos a tengerbe juttatás. Végül pedig ez a módszer semmiféle értéket nem biztosít a szennyvíziszap kezelésekor.

4 Az iszap termikus szárítása Ez lehet végleges kezelés vagy a termikus átalakítást megelőző művelet. Az iszapot szárítás előtt anaerob feltárási műveletnek és mechanikai víztelenítésnek vetik alá, hogy csökkentsék a szárításra kerülő tömeg mennyiségét, és energiaforrást termeljenek a szárítás (biogáz) számára. A víztartalom elgőzölög. Általában a termikus szárítási folyamat két típusát alkalmazzák: közvetlen szárítás (az iszap közvetlenül érintkezik a hőtartalmú gázzal), közvetett szárítás (a fejlesztett hő egy hőcserélő felület közvetítésével fejti ki hatását). Ezzel a módszerrel 99%-ig kiszárított szemcsézett iszapot lehet előállítani. Ez utána szétteríthető, vagy termokémiai módszerrel hasznosítható. Az első esetben a nehézfémtartalmat kell ellenőrizni. Mezőgazdasági hasznosítás számára általában elegendő 80 95%-ra való kiszárítás, termokémiai konverzió esetében 95% fölötti szárítottság szükséges. Elégetésre szánt anyag számára elegendő a 35 45%-os kiszárítottság. Ezt a mértéket jelenleg a mechanikai víztelenítéssel lehet elérni. Égetés Két égetési módszert lehet megkülönböztetni: az egyik esetben különleges, kizárólag iszapot felhasználó égetésre kerül sor, a másik esetben egyéb hulladékokkal égetik el az iszapot (együttégetés). Különleges égetés Ez a módszer nem tekinthet vissza látványos fejlődésre, mivel a levegőszennyezés szempontjából rendkívül szigorú füstgáztisztítási előírások betartása nagy beruházási ráfordítást igényel. Másrészt csupán a saját hőfejlesztés lehetőségeit kihasználó megoldások jöhetnek szóba energetikai szempontból, amikor nincs szükség járulékos energiafelhasználásra. Az első égetőművek (1966 és 1970) forgó csőkemencék voltak, amelyeket ma már fluidizált ágyas rendszerek váltottak fel. Az égetőberendezés tervezésekor alapvetően a termikus hasznosítás kritériumát veszik alapul. A füstgázok jelentős hőtartalmát visszatáplálják a rendszerbe (táplevegő előmelegítésére, fluidizációs berendezések esetén a réteg előmelegítésére, gőz termelésére stb.). A legújabb égetőberendezések a fluidizált réteg égését használják fel az iszap oxidálására C hőmérsékleten. A fluidizált réteg önfenntartó elégéséhez 33%-os szárított állapotra és égésgázzal végzett előmelegítésre van szükség. Előmelegítés nélkül 45%-osra kiszárított állapot szükséges.

5 A nehézfémek a hamuba kerülnek. Ezt a végső hulladék szempontjából minősíteni kell. Ügyelni kell azonban, nehogy a hamu megfolyósodjon, ami megnehezíti a végső hulladék eltávolítását. Együttégetés Ebben az esetben az iszapot a meglevő égetőberendezésekben, leggyakrabban a háztartási szeméttel közösen égetik el. Ezt egyszerűen meg lehet oldani, és általában a meglevő berendezéseken kivitelezhető. Az eltávozó füstgázok tisztítására szolgáló meglevő berendezések általában megfelelőek. Problémát jelenthet az iszap tárolása, szállítása és a szükséges kapacitás beállítása. A füstkezelésre a háztartási szemétre érvényes előírásokat kell figyelembe venni. A jelenlegi kutatások arra törekszenek, hogy az elégetésnél keletkező energiát maximális mértékben visszanyerjék. Néhány meglevő megoldás szintézise Legtöbb esetben együttégetésre kerül sor, és a háztartási szeméthez viszonyítva az iszap mennyisége 15 20%. Ezeknek a berendezéseknek az az előnye, hogy jelentős mértékben csökkentik az iszap térfogatát, termikusan roncsolják a mérgező hatású elemeket, a nehézfémek a hamuba kerülnek, és lehetőség van a hő visszanyerésére. Azonban meg kell jegyezni, hogy a kötelező gáztisztítás komoly költségekkel jár együtt, és hogy a szemétégetés nem népszerű a nyilvánosság számára. Másrészről szükségessé teszi az előállított hő közvetlen hasznosítását, miután nincs lehetőség az energia tárolására, és sok esetben elkerülhetetlen az iszap szállítása. Következtetések A 2. ábra tünteti fel a szennyvíziszapok hagyományos kezelési módszereinek eddigi alakulását. Az ábra szerint a tengerbe öntés megszűnt, és nagymértékben csökkent a lerakott mennyiség. Az utóbbi esetben olyan irányzat érvényesül, amelynek lényege, hogy az eredeti iszaptérfogat jelentős csökkentése után kerüljön csak sor a végső hulladék lerakására. A mezőgazdaságban való értékesítésre továbbra is van lehetőség, azonban ez a módszer nem képes feldolgozni az egyre növekvő mennyiséget, elsősorban a kiszórásra vonatkozó, egyre szigorúbb előírások miatt. Marad végül az égetés, amelyik igen gyors ütemben fejlődik (különösen a már meglevő berendezéseken együttégetés formájában), és ezek szerint biztos jövő elé néz. Az 1. táblázat tünteti fel a különböző módszerek költségeit.

6 60 az iszap felhasználása, % tengerbe elégetés mezőgazdaság lerakás év 2. ábra A szennyvíziszap különböző felhasználási módszereinek alakulása az EU-ban Különböző iszapkezelési módszerek gazdaságossága 1. táblázat Mezőgazdaság 1000 FRF/t Lerakás 500 FRF/t (30%-os víztelenítés) Elégetés FRF/t (70%-os víztelenítés) Együttégetés FRF/t (70%-os víztelenítés) Cementműbe FRF/t (70%-os víztelenítés) Ezek szerint az égetés lényegesen drágább, mint a többi hagyományos módszer (ez a megállapítás kevésbé indokolt az együttégetés esetére). Figyelemre méltó az iszap cementipari felhasználása, amelynek költsége nagyobb, mint a többi eljárásé, azonban biztosítja az iszap teljes eltávolítását és könnyű hasznosítását. Fontos egyes iszapkezelési módszerek értékelése, amelyeknek felhasználása az utóbbi években csökkent, pedig a teljes iszapmennyiség növekedett. Erre való tekintettel a termokémiai hasznosítás módszerének jelentősége fokozódott. A termikus módszerek előnye, hogy tárolható és értékesíthető termékeket állítanak elő, szemben az égetéssel.

7 Termokémiai hasznosítás Hat termokémiai hasznosítási módszer különböztethető meg. Ez az osztályozás az üzemeltetési hőmérséklet, a hevítési sebesség, a nyomás és az atmoszféra típusa alapján történik. Mindegyik eljárás minden esetben vizet, olajat, gázt és szenet állít elő. Ezek az eljárások általában az iszap eredeti térfogatának 10 20%-os csökkentését teszik lehetővé: pirolízis, pirolitikus elégetés, elgázosítás, nedves oxidáció, termofil aerob erjesztés, égetés (oxidáló atmoszférában, lassan, 40 C körüli hőmérsékleten, égethető gáz állít elő). A 3. ábra általánosságban mutatja be a különböző termokémiai átalakítási lehetőségek folyamatának struktúráját. Ebből nyilvánvaló, két terméktípus állítható elő: 1. értékesíthető vagy 2. szilárd maradék, amely kiszórható vagy lerakható. hasznosítás energiatermelés iszapok éghető gáz hőtermelésre termikus átalakítás termikus módszerek elégetés pirolízis elgázosítás kombinált eljárás energia végső hulladék szintézisgáz lerakás 3. ábra Termokémiai kezelési módszerek Az előállított (szilárd, folyékony vagy gáznemű) termékek felhasználhatók éghető gáz készítésére, gőzfejlesztésre, végeredményben villamosenergiatermelésre. Felhasználható a hő iszapszárításra. Tisztítás után közvetlenül motorokban, villamosság fejlesztésére. A maradék hamu betonadalékként szolgálhat.

8 A tapasztalat azt mutatja, hogy több vállalat is foglalkozik a termokémiai módszer iszaphasznosításra való alkalmazásával, azonban a teljesítményre és az optimális működtetési feltételekre vonatkozó információk nem állnak rendelkezésre. Ugyanakkor fokozódik az érdeklődés általánosságban a biomassza, ezen belül az iszapok termokémiai hasznosítási módszerei iránt. A továbbiakban a különböző termokémiai hasznosítási módszerek szennyvíziszap esetében való alkalmazását tárgyaljuk. Pirolízis Lényegében szénvegyületek oxigénmentes atmoszférában, C hőmérsékleten való termikus lebontása. Közepes minőségű (11 22 MJ/m 3 ) gázt, folyadékot (pirolízisolajat) és karbont (szenet) állítanak elő. Ezek aránya az üzemeltetési feltételektől (hevítési sebesség, az elért hőmérséklet, hőntartás) függ. A gyors pirolízis fokozott hevítési sebességet és nagy hőmérsékletet igényel. Elsősorban folyadék keletkezik, amelynek nagy a viszkozitása, hőtartalma MJ/kg nagyságrendű. Megfelelő kezelés után tüzelésre, ill. a vegyiparban használható fel. Az iszap gyors pirolízisének előnye, hogy a nehézfémek a visszamaradó szilárd anyagban koncentrálódnak (kivéve a higanyt, amely 350 C-on és a kadmiumot, amelyik 60 C-on teljesen elpárolog). A pirolízisnél keletkező hamuból ezeknek a fémeknek a természetes kilúgozódása kisebb, mint az égetési hamuból. Ezért a maradék könnyebben lerakható, mint az utóbbi esetben. Ennek a jelenségnek a legújabb magyarázata szerint a hamu megolvadása utáni dermedéskor a nehézfémeket leköti a szilárdulási folyamat. A pirolízis termogravimetrikus vizsgálata szerint a szilárd maradék az iszap kiindulási mennyiségének 26,5 31,5%-át teszi ki. A gyors pirolízis egyik példája az Enersludge eljárás. A pirolízisreaktor hőmérséklete 450 C. Az eljárás a szárított iszap (95%-os kiszárítás) szerves vegyületeit olajjá és karbonban gazdag szilárd szénné alakítja át. A szerzők megjegyzik, hogy a szén és a gáz felhasználhatók az iszap szárítására. Az eljárással szárított iszap tonnájaként liter olajat lehet előállítani. Az előállított olajoknak két fő hátránya nagy viszkozitásuk és víztartalmuk, ami miatt nincs lehetőség előzetes kezelés nélkül ezeket motorba fecskendezni. A különböző alkotók mennyisége szempontjából és hőtartalmuk alapján, nagyjából a dízelolaj minőségét közelítik meg. Elég sok információ hiányzik ezekről a technológiákról, különösen ami a lebontás hatékonyságát és az energetikai hatékonyságot jellemzi. Előfordulhat, hogy ezeket évekkel ezelőtt már közölték, és azóta még nem érték el a további kívánt eredményt. Pontosabb adatok állnak rendelkezésre egy laboratóriumi kísérletről. Eszerint fluidizált rétegben, C hőmérsékleten 40 kg/h nagyságrendű

9 kihozatalt lehetett elérni. A 2. táblázat tünteti fel a különböző termékek arányát, valamint a gáz összetételét. Fluidizált rétegben előállított termékek jellemzői 2. táblázat Hőmérséklet ( C) Olaj %(V/V) Vizes termékek Szilárd maradék Gáz H 2 %(V/V) CH 4 C 2 H 5 C 2 H 4 C 3 H 6 CO CO 2 40,1 12,6 20,0 22,7 2,4 15,3 4,9 2,9 3,8 33,0 31,5 34,3 10,8 19,2 30,7 2,4 15,4 3,4 5,4 3,0 39,9 28,5 21,2 8,0 22,3 40,8 2,8 20,6 4,3 6,7 2,1 44,3 17,5 Fűtőérték (MJ/m 3 ) 22,8 21,7 22,8 Eszerint még gyors pirolízis esetében is, különösen magas hőmérsékleten, nem elhanyagolható mennyiségű gáz állítható elő. Így tehát előnyös a szekunder krakkolási reakció igénybevétele. Meg kell azonban jegyezni, hogy a gáz nagy mennyiségben tartalmaz kátránycseppecskéket, amelyek megnehezítik a gyakorlati felhasználást. Az iszap nedvessége következtében fellépő nehézséget azzal lehet kiküszöbölni, hogy más hulladékkal közös pirolízist alkalmaznak, ami ily módon lehetővé teszi az iszap szilárd alkotói mennyiségének növelését. Lassabb pirolízis esetében nagyobb mennyiségű karbon keletkezik. Ez elégethető, de egy vizsgálat rámutatott arra, hogy az iszapkezelésnél keletkező szagok kiszűrésére és légtisztításra is felhasználható adszorbensként. Más tanulmányok szerint a szén 23 30% karbont tartalmazott, a többi hamu volt. A vizsgálatok kimutatták, hogy bizonyos hevítési feltételek között az előállított szén fajlagos felülete 100 m 2 /g lehet, szemben az aktív szén bizonyos típusai esetén elérhető 1000 m 2 /g értékkel. A pirolízis azonban azzal a hátránnyal jár együtt, hogy az előállított öszszetételek a felhasznált biomassza típusától függnek. Így például gyors pirolízis esetén az előállított folyadék összetétele a biomasszatípustól függően változik. Gyakran elég jelentős kezelésre van szükség ahhoz, hogy például motorban felhasználható legyen.

10 Pirolitikus égetés A pirilitikus égetés a két eljárás kombinációja. Ebben az esetben az energia-visszanyerés nem az égési gázok hőtartalmának hasznosításával, hanem a pirolízisgáz elégésével valósul meg. Az eljáráshoz emeletes kemencekonstrukciót használnak fel. Ez különösen alkalmas iszapok elégetésére, mert az illékony anyagok pirolitikus elgázosítása után kerül sor azok oxidálására meghatározott légfelesleggel, külön kamrában, a szilárd karbon égési övezete elválasztható (ez teszi szükségessé a légfelesleget). Ennél az eljárásnál az elégetésre kerülő termék és a gáz ellenirányban cirkulálnak. Ezt követőleg a termékek szárítására, majd felmelegítésére kerül sor. Ilyen körülmények között a szerves anyagok részben illékonnyá válnak, és éghető gáz keletkezik. A folyamat fenntartásához szükséges hőt az illékonnyá vált anyagok égése szolgáltatja, amit tüzelőanyag-adagolással egészíthetnek ki. Az illékony anyagok pirolízise után a termékek már nem tartalmaznak ásványi anyagokat és lekötött karbont. Ennek a lekötött karbonnak az elégésére a kemence alsóbb övezeteiben kerül sor, és ehhez nagy légfelesleg szükséges. Az égésből származó gáz egy része a kemence felső részébe jut, míg a többi közvetlenül az utóégető kamrába kerül, a kemence tetejéről visszanyert gázzal együtt. Elgázosítás Elgázosítás esetében a karbon részleges elégés hatására gázzá alakul át. Az elgázosítás endoterm reakció, tehát hő felhasználását igényli. Ezt általában a biomassza levegővel vagy beadagolt oxigénnel való részleges elégetésével hozzuk létre. Tehát a reaktorból kilépő éghető gáz az égéstermékek (CO 2 ) egy részével van hígítva, amihez hozzájárul még az oxigén betáplálását kísérő nitrogén. Az elgázosítás folyamatával a későbbiekben foglalkozunk. Nedves oxidáció A nedves oxidáció egy szubkritikus és egy szuperkritikus fázisban történik, 150 és 330 C közötti hőmérsékleten. Itt ugyancsak légfelesleggel kell dolgozni. Az elégetéssel szemben az iszap mineralizálására közvetlenül, túlnyomásos vizes fázisban kerül sor, vagyis elmarad a víz elpárolgása, a porfejlődés és a savas gáz keletkezése. A lebontás fázisai: pirolízis, hidrolízis, majd a szerves anyagok oxidációja.

11 Az eljárás során szilárd maradék, vizes oldat és portól, valamint savas szennyezőktől mentes éghető gáz keletkezik. Az eljárás az ipari bevezetés fázisánál tart. Műszakilag és gazdaságosság szempontjából versenyképes a hagyományos elégetési módszerrel. Mindenesetre még további kísérletekre van szükség, és a gyakorlati megvalósítás nem mindig egyszerű. Termofil aerob erjesztés A műveletet 50 C fölötti hőmérsékleten végzik. A hőmérsékletet általában az erjesztésnél keletkező hő tartja fenn. Az eljárás azonban kisméretű berendezésekre korlátozott, mivel nagyok a levegőztetési költségek. Következtetések Az iszapok egyes termokémiai hasznosítási módszerei jól ismertek, vagy különleges kísérleti vizsgálatokat igényelnek (termofil erjesztés, nedves oxidáció). Vannak olyan eljárások, amelyek jelenleg elég nehezen értékesíthető termékeket állítanak elő, és a betáplálási feltételektől függnek. Tehát az elgázosításra kell koncentrálni a figyelmet, amelyik nagy mennyiségű éghető gáz előállítását teszi lehetővé, és megvalósításához elégséges a hagyományos reaktorkonstrukció. Elgázosítás A módszerrel általában oxigén, levegő, ill. vízgőz szubsztöchiometrikus hozzáadásával állítanak elő nem kondenzálódó gázokat (H 2, CO, CO 2, CH 4, C 2 H 2 ). Az irodalom szerint atmoszférikus nyomáson 1300 és 2000 C közötti hőmérséklet szükséges. A pirolízis fázisában keletkezett termékek (gáz, kátrány, olajok és karbon) egy része másodlagos reakcióban vesz részt. Ezzel létrehozza a reakcióhoz szükséges hőt, ugyanakkor csökkenti a folyamat energetikai hatékonyságát. Vagy nyugvóágyas, vagy fluidizált rétegben történik a gázfejlesztés. A nyugvóréteges elrendezés esetében a gáz és a szilárd anyag ellenáramlású mozgást végezhet. Minden esetben levegőt és gőzt, esetleg oxigént adagolnak. Az üzemi nyomás lehet atmoszférikus vagy nagyobb (max. 10 bar). Lehetőség van a hamu elüvegesítésére, ami a nehézfémek lekötését megkönnyíti. Az eljárásban elsősorban az okoz nehézséget, hogy az elgázosítási reakció létrejötte érdekében előzetesen 95%-os nagyságrendű kiszárításra van szükség. Lehetőség van azonban arra is, hogy a felszabaduló reakcióhő egy részét felhasználva elegendő legyen az iszap előzetes 50%-os kiszárítása.

12 Az előállított gáz különböző célokra használható fel: hő, villamosság, hidrogén termelése, szintézisgáz gyártása stb. Legnagyobb probléma az előállított gáz tisztaságának kérdése (főként az aeroszolok miatt), ami például nehézségeket okozhat egy motor megfelelő működtetésekor. Már említés történt arról, hogy az elgázosítás szubsztöchiometrikus állapotban történik. Az egyenértékűségi viszony (RE) definíciója: RE = (levegő/éghető gáz arány)/(levegő/sztöchiometrikus égéshez szükséges éghető gáz arány) Biomassza elgázosításakor ennek értéke 0,2 és 0,4 között van. Az elgázosítás tehát a környezetszennyezés szempontjából lehetővé teszi a hulladék mennyiségének csökkentését, a mérgező szerves vegyületek lebontását és a nehézfémeknek a végső szilárd hulladékban való lekötését. A különböző elgázosító reaktorok összehasonlítása Az alábbiak bármilyen biomassza feldolgozásának esetére érvényesek. Ugyanakkor lehetővé válik a szennyvíziszap feldolgozására alkalmas reaktor megválasztása, mivel ezeknek a specifikációi eltérőek a többi biomasszatípus elgázosításának feltételeitől. Rögzített ágyas Egyenáramlású eljárás A 4. ábrán látható az eljárás elvi megoldása. A szárítási (1) zónában lép be a biomassza a gázfejlesztőbe. A nedvességtartalom az alul elhelyezkedő zónákban keletkezett hő hatására elpárolog. A felfűtési sebesség mindenekelőtt a biomassza fajlagos felületétől, a betáplált anyag és a forró gázok közötti hőmérséklet-különbségtől függ. Ennek a zónának a hőmérséklete Cot érhet el. A pirolízis (2) zónában következik be a szárítózónából érkező biomassza termikus lebontása, a pirolízistermékek részleges oxidációjából származó energia hatására. Ennek a zónának a hőmérséklete C hőmérsékletet érhet el. A száraz anyag mennyisége 50 90%. Az oxidálózónában (3) az illékony pirolízistermékeket rendkívül exoterm reakciók oxidálják. Ennek hatására a zsugorító zónában a hőmérséklet gyorsan C-ra emelkedik. A fejlődő hő a szárításra, a pirolízisre és az elgázosítási reakcióra használódik. A reaktornak ezen a részén kialakított toroknak nagy a jelentősége, mert ezzel érhető el ezen a szinten az egyenletes hőmérséklet, és így válik lehetővé a kátrány megfelelő krakkolódása. Végül a redukáló (4) zónában történik meg a végső krakkolódás. Mivel az illékony termékek oxidációja igen gyors, még a pirolíziszónába való érkezés előtt teljesen elfogy az oxigén. A gázfejlesztést kísérő kátrány

13 képződés csökkentése érdekében azonban van lehetőség a kondenzálódó szerves termékek hatékony oxidálására (ellenáramlású rögzített ágyas eljárás). Tehát ez a reaktortípus stabil, jó átalakítást biztosít, és kevés kátrány képződik. Hátránya azonban, hogy minimum 80%-os előzetes kiszárítást igényel. biomassza biomassza gáz oxidálószer oxidálószer oxidálószer hamu gáz hamu 4. ábra Nyugvóágyas, egyenáramlású elrendezés elvi vázlata (1. szárítás; 2. pirolízis; 3. oxidálás; 4. redukálás) 5. ábra Nyugvóágyas, ellenáramlású elrendezés elvi vázlata (1. szárítás; 2. pirolízis; 3. elgázosítás; 4. redukálás) Ellenáramlású eljárás Az 5. ábra tünteti fel az ellenáramlású megoldást. A különböző szárító, pirolízis- és elgázosító zónák megegyeznek az előzővel. Eltérés van abból a szempontból, hogy hogyan vezetik be az oxidálószert, tehát milyen a gáz és a biomassza egymáshoz viszonyított mozgásiránya. Ebben az esetben a gáz bevezetése alulról történik, és alacsonyabb hőmérsékleten hagyja el a reaktort, mint az előző esetben. Tehát termikus hatásfoka kedvezőbb. Ennek következtében akár csak 50%-ra előszárított biomasszával is lehet táplálni a reaktort. Ezen kívül a reaktor keresztmetszeti méretei közömbösek. Végül pedig az előállított gáz fűtőértéke nagyobb, mint az előző esetben. Ugyanakkor viszont viszonylag nagy mennyiségű kátrány képződik, ami komoly utólagos mosást igényel, és esetleg kellemetlenül befolyásolj a gáz felhasználását. Egyes szakértők azt javasolják, hogy a káros jelen

14 ség korlátozása érdekében a reaktor elején második oxigénbejuttatással biztosítsák a kátrány krakkolását. Ez a krakkolás egy második reaktorban is megtörténhet. Fluidizációs rétegek Biomassza gázosítására két fluidizációs rétegtípus létezik: a forrásnak megfelelő bugyborékoltató mozgást és a cirkuláló mozgást végző változat (6. ábra). (a) (b) 6. ábra Bugyborékoló (a) és cirkuláló (b) fluidizációs rétegek A réteg semleges szilárd részecskékből, általában alumínium-oxidból áll. A biomassza ebben lép reakcióba a vízgőzzel és oxigénnel vagy a levegővel. A szilárd maradék, főként hamu, a reaktor tetején, a gázokkal együtt hagyja el a rendszert. Az eljárás nagy előnye, hogy a képződő kátrány jelentős hányadának krakkolását biztosítja C hőmérséklet és bar nyomás elérésére van lehetőség. Ebben az esetben max. 20%-os nedvességtartalom engedhető meg a biomassza beadagolásakor. A cirkuláló fluidizált réteget használják leggyakrabban. A nagy gázsebesség kedvező tömeg- és hőátadást tesz lehetővé, és egyenletes feltételeket teremt a művelethez. A reaktor tetején levő ciklon lehetővé teszi, hogy azokat a részecskéket visszatáplálják, amelyek nem vettek részt a reakcióban. Laboratóriumi feltételek között végeztek kísérletet biomassza levegőatmoszférában, fluidizált rétegben történő gázosítására. A különböző paraméterek hatása:

15 Az RE (egyenértékűségi viszony) növelése növeli az előállított gáz mennyiségét, de csökkenti az éghető gáz arányát (ezzel együtt fűtőértékét), ugyanakkor a kilépő gázban kisebb lesz a kátrány részaránya. Amikor növekszik a H/C arány (ami egy adott biomassza esetében a kiindulási nedvességtartalom emelkedését jelenti), a H 2 megnöveli a kilépő gáz fűtőértékét. Ilyen körülmények között a gáz kátránytartalma csökkenni fog. Ezeknek az eredményeknek nagy része a többi reaktortípusra is érvényes. Hasonlóképpen a cirkuláltatott fluidizált réteg esetére is, meghatározták az RE hatását a fűtőértékre. A 3. táblázat mutatja be a különböző reaktorok esetében a biomasszával, nem pedig szennyvíziszappal táplált rendszerben előállított gázok összetételét. Az előállított gáz jellemző összetétele az eljárás típusától függően 3. táblázat A gáz összetétele %(V/V) Fűtőérték Az előállított termék minősége H 2 CO CO 2 CH 4 N 2 MJ/m 3 kátránytartalom portartalom Fluidizált réteg, levegőben ,4 közepes kevés Ellenáramlású, levegőben ,5 kevés jó Egyenáramlású, levegőben ,7 jó közepes Egyenáramlású, oxigénben ,4 jó jó Pirolízis ,3 kevés jó A táblázatból kitűnik: A gázosítási gáztermékek fűtőértéke alig függ a felhasznált reaktor típusától. Az oxidáló közeg hatásáról viszont már történt említés. Nehezen lehet tisztázni a különböző gázosítóreaktorok által előállított gáz összetételének változását a reaktortípus függvényében. Úgy tűnik, a fluidizált réteg esetén a gáz CO 2 -ban és CH 4 -ban dúsabb. A pirolízis hatására növekszik a gáz fűtőértéke és hidrogénkoncentrációja, azonban a relatív gázmennyiség kisebb. A gáz kátrány- és portartalma erősen változik. A 4. táblázatban láthatjuk, elsősorban a szennyvíziszap feldolgozása szempontjából, a különböző reaktortípusok előnyeit és hátrányait.

16 A különböző reaktortípusok előnyei (+) és hátrányai ( ) 4. táblázat Nyugvóágyas Fluidizált réteg Kritériumok ellenáramlású áramlás egyenáramlású áramlás bugyborékoltatott cirkuláló Hőmérséklet-eloszlás + + A beadagolt biomassza nedvességtartalma + + Hőátadás + + A szilárd anyag hőntartása (óra, nap) (óra, nap) + (s, min) + (s, min) A gáz hőntartása (s) (s) (s) (s) Kezelési kapacitás, extrapolálva + + Beindítás, leállítás + + Betáplált részecskeméret szórási tartománya (mm) (8 100) (8 100) + (0,02 50) + (0,02 50) Betáplált pormennyiség + + Kátrány a kilépő gázban Hamu a kilépő gázban + Hamuolvadék lehetősége + + A fluidizált réteg technológiája több szempontból is előnyösebbnek látszik: jobb a hőátadás, könnyebb az üzemeltetés. Ezzel szemben két szempontból előnyösebb a nyugvóágyas megoldás: lehetőség van nedvesebb biomassza betáplálására, és a nehézfémek a nem kilúgozható szilárd visszamaradó hamuban leköthetők. Az egyenáramlású nyugvóágyas megoldás lehetővé teszi a gáz kátránytartalmának korlátozását, ami a gáz felhasználása szempontjából fontos. A reaktor típusán kívül másik fontos paraméter a gázosítási folyamat szempontjából a felhasznált oxidálóközeg. Különböző oxidálóközegek Jelentős hatást gyakorol az előállított gázra a felhasznált oxidálóközeg: Levegőn üzemeltetett gázfejlesztő berendezés kis fűtőértékű gázt termel. Tisztítás után felhasználható ipari fűtőközegként, gázturbinában, fűtőanyagelemben. Ekkor a reakcióhőmérséklet C nagyságrendű. Az ilyen rendszerben előállított gáz fűtőértéke a földgáz fű

17 tőértékének 10 20%-a, vagyis 4 6 MJ/Nm 3. Nitrogéntartalma 60% is lehet. Általában a levegőn üzemeltetett gázfejlesztő energetikai hatásfoka kedvezőbb, mint az O 2 -t felhasználó változaté. Gyakorlati felhasználása azonban nehezebb, mert a felhasznált levegő csökkenti a berendezésben a hőmérséklet és az elgázosítás sebességét. A teljes átalakításhoz a berendezés méretét meg kell növelni. Az oxigénes gázfejlesztőben előállított gáz fűtőértéke átlagban MJ/Nm 3. A reakcióhőmérséklet C nagyságrendű. Vízgőzadagolással oxigén juttatható a rendszerbe, és növelhető a gázban a hidrogén mennyisége. Az előállított gáz az előzőekhez hasonlóan használható fel, azonban földgáz helyettesítésére és kémiai termelésre (szintézisgáz) is alkalmas. Nyilvánvaló, hogy ilyen esetben az oxigén előállítása teszi a folyamatot energetikailag kedvezőtlenné. Harmadik lehetőség a magas hőmérsékletű termikus elgázosítás, levegő vagy oxigén adagolása nélkül. Ekkor a szénhidrogénmolekulák krakkolása következtében gázmolekulák képződnek. A kapott gáz fűtőértéke 23 MJ/Nm 3 nagyságrendű. Ebben az esetben a C nagyságrendű hőmérséklet eléréséhez hőcserélőt vagy szilárd fűtőanyagot használnak fel. Ennek az eljárásnak az a jelentősége, hogy nagyobb fűtőértékű gáz állítható elő, mint a két előző esetben, mivel gyakorlatilag ki van zárva a nitrogén. Egyidejűleg a kátrány kedvező krakkolását teszi lehetővé. Ennek a módszernek a megvalósítására többek között a Lurgi-Ruhrgas vállalatnál került sor. A szennyvíziszapot igen gyorsan a kívánt hőmérsékletre hevítik (hevítési sebesség 1000 C/s). A termikus elgázosítás következtében azonnal gáz képződik, amely fluidizáló hatást fejt ki a keverékre, és a hőátadás is javul. A visszatáplált szilárd frakció hőmérsékletét 850 C-on tartják. Ebben az esetben előzetesen ki kell szárítani az iszapot, hogy ne legyen szükség járulékos hőhatásra. Utólagos kezelés A gázfejlesztőből távozó gáz porral, kátránnyal és vízgőzzel szennyezett. Az utólagos felhasználástól függően azt hűteni és tisztítani kell. Ellenirányú vízáramlással végzett tisztítás lehetővé teszi a szilárd szennyezők 90%-ig terjedő eltávolítását és a gáz 30 C-ig terjedő lehűtését. Megvalósítható és néha elkerülhetetlen a kátrány katalitikus krakkolása. Szűréssel, például aktív szén segítségével az utolsó pormaradék is eltávolítható. Esetleg más kezelési módszerre is szükség lehet, hogy eltávolítsák azokat az anyagokat, amelyek eredetileg nyomokban voltak jelen az iszapban, de nem jutottak az elüvegesített hamuba. Ilyenek lehetnek a higany, a kadmium, szulfidok, kloridok, fluoridok.

18 Szennyvíziszapra vonatkozó kísérleti adatok A termikus eljárás teszi lehetővé a legnagyobb fűtőértékű gáz előállítását. A nyugvóágyas elrendezéssel szemben a fluidizációs eljárás is lehetővé teszi a fűtőérték növelését és a hidrogénkoncentráció emelését. A legjelentősebb a termikus eljárás. Az erre vonatkozó adatok azonban hiányosak, valószínűleg azért, mert megvalósítása több nehézségbe ütközik. Ezért minden valószínűség szerint a nyugvóágyas, ellenáramlású eljárás a legmegfelelőbb a szennyvíziszap elgázosítására. Következtetések Az iszapkezelési módszerek közötti választás nagymértékben a tisztításra kerülő víz szennyezettségének mértékétől függ. Általánosságban figyelembe kell venni a keletkező iszap minőségét és a rendszer környezeti viszonyait (mezőgazdasági területek közelsége, égetőmű közelsége stb.). Jelenleg nem tűnik célszerűnek egyetlen módszer kiválasztása. Több eljárásra van még szükség ahhoz, hogy a víztisztító berendezés körülményeinek legmegfelelőbb módszert ki lehessen választani. A termokémiai eljárás jelenleg a legkevésbé kidolgozott. A mezőgazdasági hasznosítás már régóta gyakorlatban van és megoldottnak tűnik, eltekintve egyes szennyezők (nehézfémek stb.) kérdésétől. Lehetőség van a háztartási szeméttel együttes elégetésre. Előnye a termokémiai hasznosítás lehetősége, a tárolható (gáz, olaj) és szállítható energiahordozó előállítása. Jelenleg a pirolitikus elgázosítás inkább más anyagoknál célszerű, mint például fa vagy biomassza esetén, és a berendezések inkább kis helyi üzemek igényeit elégíthetik ki. A közelben rendelkezésre álló alapanyagokat felhasználva nem lesz nagy a szállítási költség, és helyi hálózatot lehet energiával ellátni. Elképzelhető, hogy közvetlenül a szennyvíztisztító telep energiaellátását szolgálja az iszapfeldolgozó rendszer. A szárítás utáni lerakás és a termokémiai hasznosítás összehasonlítható gazdaságossági értékelése azt mutatta, hogy a beruházási és üzemeltetési költségek nagyjából azonosak. Energetikai szempontból nyilván előnyösebb a termokémiai hasznosítás, miután energiát termel. Ami a szén-dioxid-szennyezést illeti, a termokémiai módszer a legkedvezőbb, miután csupán az iszap kis hányada kerül elégetésre. Ez az utóbbi szempont nem elhanyagolható, miután minden ország köteles csökkenteni a levegő gázzal való szennyezését (Kiotói Egyezmény). Ahhoz, hogy teljesen járható utat jelentsen a szennyvíziszap termokémiai hasznosítása, még további kutatásokra van szükség. A termokémiai elgázosítás fő előnyei: az iszap térfogatának jelentős csökkentése; a magas hőmérsékletű kezelés lehetővé teszi a szigorú levegőszenynyezési előírások betartását;

19 a vírusok és a patogén szervezetek termikusan roncsolódnak; a nehézfémeket az elüvegesedő hamu leköti, ebben az állapotban nehezebben lúgozódnak ki, mint elégetés után, tehát kevésbé környezetszennyező hatásúak; tárolható és értékesíthető termék állítható elő; kizárólag gázt állít elő, amely könnyebben hasznosítható, mint például jelenlegi állapotában az olaj; a többi hagyományos módszerhez viszonyítva elfogadhatóan gazdaságos, energiatermelő, és csökkenti a levegő szén-dioxidszennyezését. (de. Barna Györgyné) Boutin, O.; Roche, N.: La valorisation des boues issues de stations d épuration par des procédés thermochimiques: les procédés de gazéification, une alternative dans le traitement des boues. Réalité et perspectives. = L Éau, L Industrie, Les Nuisances, 248. k jan. p Yuang-Song Wei, Yao-Bo Fan, Min-Jian Wand; Ju-Si Wang:Composting and compost application in China. = Resources, Conservation and Recycling, 30. k. 4. sz nov. p