HUP0401455A2 - Method for solid wastes elimination and reutilization from fermentation process - Google Patents
Method for solid wastes elimination and reutilization from fermentation process Download PDFInfo
- Publication number
- HUP0401455A2 HUP0401455A2 HU0401455A HUP0401455A HUP0401455A2 HU P0401455 A2 HUP0401455 A2 HU P0401455A2 HU 0401455 A HU0401455 A HU 0401455A HU P0401455 A HUP0401455 A HU P0401455A HU P0401455 A2 HUP0401455 A2 HU P0401455A2
- Authority
- HU
- Hungary
- Prior art keywords
- combustion
- fermentation residue
- during
- fermentation
- solid material
- Prior art date
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
- Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel
Landscapes
- Processing Of Solid Wastes (AREA)
Abstract
Description
Ό?- 1gWhat? - 1g
Eljárás fermentáció melléktermékeként előálló szilárd anyag ártalmatlanítására és energetikai hasznosításáraProcess for the disposal and energetic utilization of solid material produced as a by-product of fermentation
Bejelentő: Dr. Szentannai Pál,Reporter: Dr. Pál Szentannai,
Dr. Ősz János,Dr. János Ősz,
BudapestBudapest
TelkiLand
Bejelentés napja: 2004július 19.Date of announcement: July 19, 2004.
A találmány tárgya eljárás fermentáció melléktermékeként előálló szilárd anyag ártalmatlanítására és energetikai hasznosítására, amely eljárás segítségével a szennyvíziszap utóhasznosítása során előálló szilárd melléktermék nagy hatékonysággal és környezetbarát módon ártalmatlanítható.The invention relates to a method for the disposal and energetic utilization of solid material produced as a by-product of fermentation, with the help of which the solid by-product produced during the post-utilization of sewage sludge can be disposed of with high efficiency and in an environmentally friendly manner.
Az ismert, és egyre szélesebb körben használt fermentálást (erjesztés!, rothasztási) technológia során a legkülönbözőbb szerves anyagokból megfelelő baktérium törzsek metántartalmú gázt fejlesztenek. Ez a folyamat azonban nem játszódik le tökéletesen, vagyis az eijesztő tartályban (fermentorban) nagymennyiségű szilárd anyag marad, amelyről tudni kell, hogy egyrészt éghető, másrészt elhelyezése gondot okoz.In the well-known and increasingly widely used fermentation technology, suitable strains of bacteria produce methane-containing gas from a wide variety of organic materials. However, this process does not occur perfectly, meaning that a large amount of solid material remains in the fermentation tank (fermentor), which is both flammable and problematic to dispose of.
Az elhelyezés tekintetében a kiindulási szerves anyag forrásától függően többféle lehetőség kínálkozik. A hagyományos megoldásban ez a maradék talajerő utánpótlásra használható akár nedvesen, akár szárítás után. Meg kell azonban jegyezni, hogy ez az az út, amelynek lehetőségei egyre inkább beszűkülnek, amint tüzetesebb vizsgálatnak kell alávetni az anyag összetételét, és amint egyre közelebb kerülünk a mezőgazdaságban felhasználásra engedélyezett anyagok Európa-szerte is folyamatosan szigorodó előírásaihoz. A fermentálást eljárás kiindulásaként használt szerves anyagok tipikus lelőhelyei ugyanis egyrészt a szennyvíztisztítók, másrészt az állattartó telepek. Az előbbi szélsőségesen változatos károsanyag tartalmát nem kell részletezni, az utóbbi nyersanyagról azt kell tudni, hogy jelentős mennyiségben tartalmaz igen veszélyes biológiai anyagokat: hormonokat, antibiotikumokat, baktériumokat, dioxinokat, furánokat stb., amelyek a mezőgazdaság táplálkozási láncába visszaforgatva nagy stabilitásuk miatt nem bomlanak, hanem épp emiatt az idő folyamán feldúsulnak. A fermentálás! maradék mezőgazdasági hasznosítása tehát egyre problematikusabbá válik hazánkban is, amely nehézséget nem oldja meg a másik felmerülő lehetőség, a deponálás sem. A lerakásra szóba jöhető területek kapacitása egyre korlátozottabbá válik ugyanis a környezetet károsító, szaghatással is terhelt anyag befogadásával szembeni ellenállás miatt, és az egyre távolabbi lerakókba való szállítás egyre nagyobb költségekkel jár.There are several options for disposal, depending on the source of the starting organic material. In the traditional solution, this residual soil energy can be used for replenishment either wet or after drying. However, it should be noted that this is the path whose options are becoming increasingly narrower as the composition of the material has to be subjected to more rigorous testing and as we get closer to the increasingly stringent regulations for materials permitted for use in agriculture throughout Europe. The typical sources of organic materials used as the starting point for the fermentation process are, on the one hand, wastewater treatment plants and, on the other hand, livestock farms. The extremely diverse content of harmful substances in the former does not need to be detailed, but it should be known about the latter raw material that it contains a significant amount of very dangerous biological substances: hormones, antibiotics, bacteria, dioxins, furans, etc., which, due to their high stability, do not decompose when recycled into the agricultural food chain, but rather accumulate over time. The agricultural utilization of fermentation residues is therefore becoming increasingly problematic in our country, a difficulty that is not solved by the other emerging option, landfilling. The capacity of areas that can be considered for landfilling is becoming increasingly limited due to the resistance to accepting environmentally harmful and odorous material, and the transportation to increasingly distant landfills is becoming increasingly expensive.
A technika állása szerint a fermentáció szilárd melléktermékét jelenleg leginkább a mezőgazdaságban hasznosítják. Ennek azonban hátránya, sőt jelentős veszélye a nagyon stabil mérgező anyagok visszakerülése a táplálkozási láncba. Ez a folyamat végső soron a növényiés állati eredetű élelmiszereken keresztül az emberi szervezetet veszélyezteti.According to the state of the art, the solid by-products of fermentation are currently mostly utilized in agriculture. However, the disadvantage and even significant danger of this is the return of very stable toxic substances into the food chain. This process ultimately endangers the human body through food of plant and animal origin.
A mezőgazdasági hasznosítás szűkebb, speciális területe a parkok füvének, kertészeti virágok és más növények talajának erősítése, amely megoldás egy osztrák szennyvíztisztítóból ismert. Ezt a felhasználást ismerteti az ARA-Dombirn-Schwarzah GmbH osztrák cég Weitgehende Schlammbehandlung című nyomtatott, színes kiadványa (1993 Dombim, Ausztria).A narrower, specialized area of agricultural utilization is the strengthening of the soil of park grass, garden flowers and other plants, a solution known from an Austrian wastewater treatment plant. This use is described in the printed, colored publication Weitgehende Schlammbehandlung by the Austrian company ARA-Dombirn-Schwarzah GmbH (1993 Dombim, Austria).
Ennek során a fermentációs maradékot intenzív szárítási technológiával, jelentős költség- és energia ráfordítás mellett szárítják, majd a mezőgazdaságban talajjavító szerként felhasználják. E megoldás hátránya, hogy a káros anyagok jelenlétéből adódó veszélyeket nem csökkenti, viszont az anyag gyakorlatilag tökéletes szárítására van szükség, ami tetemes energiafelhasználást jelent, és az ingyen elvitelre kínált szárított fermentálási maradék gazdasági hasznot sem produkál.In this process, the fermentation residue is dried using intensive drying technology, at a significant cost and energy cost, and then used as a soil conditioner in agriculture. The disadvantage of this solution is that it does not reduce the risks arising from the presence of harmful substances, but it requires practically perfect drying of the material, which means a huge energy consumption, and the dried fermentation residue offered for free to take away does not produce any economic benefit.
Papíripari hulladékiszap és hulladék nyomdafesték ártalmatlanítására és hasznosítására szolgáló eljárást ismertet a HU 211 758 sz. magyar szabadalmi leírás, melynek során a fermentációs maradékot komposztálják és mezőgazdaságban hasznosítják. Az eljárásra az jellemző, hogy a 30-50% szárazanyag - tartalmú papíripari hulladékiszaphoz - előnyösen 1-10 t% mennyiségben - hulladék nyomdafestéket kevernek, majd a keverék C/N arányát előnyösen műtrágya adagolásával - 1:20-1:100 közötti értékre állítják be. Majd a keveréket deponálják és -5...+40 °C közötti lőmérsékleten 20- 180 napig - adott esetben mesterséges levegőztetés alkalmazása mellett - aerob módon fermentálják és a kezelés után a kialakult komposztot kitermelik.A process for the disposal and utilization of waste sludge from the paper industry and waste printing ink is described in Hungarian patent specification HU 211 758, during which the fermentation residue is composted and utilized in agriculture. The process is characterized by the fact that waste printing ink - preferably in an amount of 1-10 t% - is mixed with waste sludge from the paper industry containing 30-50% dry matter, and then the C/N ratio of the mixture is adjusted to a value between 1:20-1:100, preferably by adding fertilizer. The mixture is then deposited and fermented aerobically at a temperature between -5...+40 °C for 20-180 days - optionally with the use of artificial aeration - and the resulting compost is extracted after treatment.
A technika állása szerint a különböző hulladékanyagok égetéssel történő megsemmisítésének egyik ismert módja a fluidizációs tüzelési technológia, amelyet kezdetben széntüzelésre fejlesztettek ki, és később kezdtek más szilárd tüzelőanyagok elégetésére is használni. E kazántípusnak kiemelkedő tulajdonságai közé tartozik a tüzelőanyag tekintetében mutatkozó flexibilitása, valamint a kifejezetten környezetbarát energiatermelés lehetősége.According to the state of the art, one of the known methods for the incineration of various waste materials is the fluidized bed combustion technology, which was initially developed for coal combustion and later began to be used for the combustion of other solid fuels. The outstanding features of this boiler type include its flexibility in terms of fuel and the possibility of producing energy in a particularly environmentally friendly manner.
A fluidizációs tüzelési technológiában a tűztérben levő inert anyagot (általában homokot) és a szilárd tüzelőanyagot a tűztér alján befuvott levegő lebegteti (fluidizált állapotban tartja), ami lassabb, alacsonyabb hőmérsékleten történő égést tesz lehetővé. Az alkalmazott légsebesség alapvetően meghatározza a fluidizált réteg viselkedését, és így a berendezés jellegét. Kisebb légsebességet alkalmazva nyugvó ágyas vagy buborékos berendezésről beszélünk, a minimális fluidizációs sebességet meghaladó légsebesség alkalmazása esetén viszont a fluidizált ágyból kilépő levegőáram szilárd szemcséket ragad magával, amelyeket ciklonban leválasztani, majd az ágyanyagba visszavezetni (recirkuláltatni) szükséges. Ilyenkor beszélünk cirkulációs fluidizációs berendezésről.In fluidized bed combustion technology, the inert material (usually sand) in the combustion chamber and the solid fuel are suspended (fluidized) by air blown into the bottom of the combustion chamber, which allows for slower, lower-temperature combustion. The air velocity used fundamentally determines the behavior of the fluidized bed and thus the nature of the equipment. If a lower air velocity is used, we are talking about a fixed-bed or bubble device, while if an air velocity exceeds the minimum fluidization velocity, the air flow exiting the fluidized bed carries solid particles with it, which must be separated in a cyclone and then returned (recirculated) to the bed material. In this case, we are talking about a circulating fluidization device.
Fermentált iszap fluidágyas kazánban történő égetésére szolgáló, mobil berendezést ismertet a DE 332 5078 sz. német szabadalmi leírás, amely az iszapégetés tetszőleges, változó helyszíneken történő alkalmazását teszi lehetővé, így elkerülhető nagy, rögzített berendezések telepítése. A megoldás szerint a fluidizációs tüzelésű berendezés részegységeit szárazföldi vagy vízijárműre építik. A leírás a berendezés egyik lehetséges megvalósításaként ismerteti a tüzelőberendezés egyes részegységeinek hajón történő legcélszerűbb elrendezési módját is. A megoldás hátránya, hogy a járműre épített mobil fluidizációs tüzelésű berendezés csak nagyon kis mennyiségekre alkalmazható. A hivatkozott irat a fermentált iszap fluidágyas tüzelésére vonatkozóan részletes kitanítást nem tartalmaz. A mobil üzemmel az ártalmatlanítás gondját is csak időszakosan oldja meg, és nem tesz lehetővé gazdasági-, energetikai hasznosítást sem.A mobile device for burning fermented sludge in a fluidized bed boiler is described in German patent specification DE 332 5078, which allows the use of sludge burning at any variable location, thus avoiding the installation of large, fixed devices. According to the solution, the components of the fluidized combustion device are built on a land or water vehicle. The description also describes the most appropriate way of arranging individual components of the combustion device on a ship as one of the possible implementations of the device. The disadvantage of the solution is that the mobile fluidized combustion device built on a vehicle can only be used for very small quantities. The referenced document does not contain detailed instructions regarding the fluidized bed combustion of fermented sludge. The mobile plant also solves the problem of disposal only periodically and does not enable economic or energetic utilization.
A ma ismert megoldásokról összefoglalóan megállapítható tehát, hogy azok mindegyike vagy csak a hasznosítás, vagy csak az ártalmatlanítás kérdéskörének egyikét oldja meg, és nem ad megoldást e két terület átfogó, eredményes és hatékony kezelésére.In summary, it can be stated that all of the solutions known today either only solve one of the issues of utilization or disposal, and do not provide a solution for the comprehensive, effective and efficient management of these two areas.
A fermentációs maradék hasznosítására vállalkozó megoldások mind talajerő pótlásának útján teszik ezt, de így az élővilág táplálkozási láncába visszaforgatásra kerülnek a nagy stabilitású, az idő folyamán feldúsuló mérgező anyagok, amelyek közül a legfontosabbak a hormonok, antibiotikumok, baktériumok, dioxinok, furánok. Az elsősorban nem élelmiszertermelő mezőgazdasági hasznosítás ismert megoldásának hátránya, hogy a káros anyagok jelenlétéből adódó veszélyeket nem csökkenti, viszont az anyag gyakorlatilag tökéletes szárítására van szükség, ami tetemes energiafelhasználást követel, és az ingyen elvitelre kínált szárított fermentálás! maradék gazdasági hasznot sem produkál. A hasznosítást is alkalmazó megoldások hatékonysága meglehetősen alacsony, gazdaságilag alig indokolható. Az ismert megoldásoknak ez a része tehát nem oldja meg a fermentálás szilárd melléktermékének ártalmatlanítását, a környezetet terhelő, ártalmas anyagot is tartalmazó végtermékei vannak. Emellett nem segítik elő e megújuló energiaforrás energetikai hasznosítását, sőt van olyan megoldás is, amelyik tetemes energiát fogyaszt.Solutions that attempt to utilize fermentation residues all do so by replenishing soil energy, but in this way highly stable toxic substances that accumulate over time are recycled back into the food chain of living things, the most important of which are hormones, antibiotics, bacteria, dioxins, and furans. The disadvantage of the known solution of primarily non-food agricultural utilization is that it does not reduce the dangers arising from the presence of harmful substances, but it requires practically perfect drying of the material, which requires a lot of energy consumption, and the dried fermentation residue offered for free to take away does not produce any economic benefit either. The efficiency of solutions that also utilize utilization is quite low and can hardly be justified economically. This part of the known solutions therefore does not solve the problem of disposing of the solid by-product of fermentation, and they have end products that pollute the environment and contain harmful substances. In addition, they do not promote the energetic utilization of this renewable energy source, and there is even a solution that consumes a lot of energy.
A technika állása szerinti ismert, a fermentációs maradék ártalmatlanítását célzó megoldás ezzel szemben nem veszi figyelembe az anyag hasznosítható energiatartalmát, és így nem aknázza ki e megújuló (ezért kiemelten környezetkímélő) energiaforrásban rejlő környezetvédelmi- és energetikai-, gazdasági lehetőségeketThe known solution according to the state of the art, aimed at disposing of fermentation residue, on the other hand, does not take into account the utilizable energy content of the material and thus does not exploit the environmental, energetic and economic potential of this renewable (therefore particularly environmentally friendly) energy source.
A találmány szerinti megoldás kidolgozásakor célkitűzésünk volt az emberi életre is veszélyes anyag ártalmatlanítása, a deponálni szükséges melléktermék térfogatának nagyságrendi csökkentése, valamint e megújuló energiaforrásból energia előállítása olymódon, hogy a keletkező füstgázban levő káros anyagok megkötése a technológiába integrált módon valósuljon meg, és a keletkező hamu is környezetbarát, hasznosítható legyen. Célunk továbbá egy olyan égetési mód kidolgozása, amellyel a fermentációs maradék önálló égetése megoldható, és amely technológia eredményeként energetikailag hasznosítható hő is előáll.When developing the solution according to the invention, our goal was to dispose of the substance that is also dangerous to human life, to significantly reduce the volume of the by-product that needs to be deposited, and to produce energy from this renewable energy source in such a way that the binding of harmful substances in the resulting flue gas is implemented in an integrated manner in the technology, and the resulting ash is also environmentally friendly and usable. Our goal is also to develop a combustion method that can solve the independent combustion of the fermentation residue, and as a result of which technology also produces heat that can be used energetically.
A találmány szerinti megoldás létrehozásakor felismertük, hogy amennyiben a fermentációs maradék ártalmatlanítását az anyag megfelelő szárítása és aprítása után egy fluidizációs égetőberendezősben, megfelelően beállított zárt égetési folyamatban végezzük, akkor a kitűzött cél elérhető. Felismertük továbbá, hogy az égetési folyamatban alkalmazott megfelelő égési hőmérséklettartomány alkalmazásával az égés során felszabaduló nitrogén-oxid még megfelelően alacsony szinten tartható, ugyanakkor a fermentációs maradék égetése során az anyag kalcium és kén tartalma nagy hatékonysággal egymással megköthető. Ezzel az égetés szilárd és gáznemű végtermékeként környezetre nagyon kis mértékben ártalmas, illetve semleges hatású anyagok keletkeznek. Felismertük, hogy a fluidizációs technológia találmány szerinti alkalmazásával a fermentációs maradék tipikus összetevőiből adódóan a környezetet szennyező, terhelő anyagok kibocsátása a minimális szinten tartható.When creating the solution according to the invention, we recognized that if the disposal of the fermentation residue is carried out in a fluidized bed incinerator after the material has been properly dried and crushed, in a properly adjusted closed combustion process, then the set goal can be achieved. We also recognized that by using the appropriate combustion temperature range used in the combustion process, the nitrogen oxide released during combustion can still be kept at a sufficiently low level, while at the same time, during the combustion of the fermentation residue, the calcium and sulfur content of the material can be bound with great efficiency. This results in substances that are very slightly harmful to the environment or have a neutral effect as solid and gaseous end products of the combustion. We recognized that by using the fluidization technology according to the invention, the emission of polluting and burdening substances to the environment due to the typical components of the fermentation residue can be kept to a minimum.
A találmány tehát eljárás fermentáció melléktermékeként előálló szilárd anyag ártalmatlanítására és energetikai hasznosítására, melynek során fermentálási maradékként előálló szilárd anyagot szárítunk, majd zárt rendszerű folyamatban eltüzelünk. Az eljárás jellemzője, hogy az eljárás során a fermentálási maradék nedvességtartalmát beállítjuk, majd vagy ezzel együtt vagy külön fázisban - a fermentálási maradékot megfelelő szemcseméretre aprítjuk, ezt követően az elökésztett fermentálási maradékot fluidizációs tüzelőberendezésbe tápláljuk, majd abban, adott esetben egy vagy több ciklusban megfelelő égési paraméterek fenntartása mellett eltüzeljük, majd a folyamat végén a keletkező gáznemű égéstermékből, vagy adott esetben már az égési folyamat közben a tűztérből is - energetikai hasznosításra hőt nyerünk ki.The invention is therefore a method for the disposal and energetic utilization of solid material produced as a by-product of fermentation, during which the solid material produced as a fermentation residue is dried and then burned in a closed system process. The characteristic of the method is that during the process the moisture content of the fermentation residue is adjusted, then either together with this or in a separate phase - the fermentation residue is crushed to a suitable particle size, after which the prepared fermentation residue is fed into a fluidization combustion device, then it is burned there, optionally in one or more cycles while maintaining suitable combustion parameters, and then at the end of the process heat is extracted for energetic utilization from the resulting gaseous combustion product, or optionally from the firebox during the combustion process.
A találmány szerinti eljárás egy előnyös foganatosítása esetén a fermentálási maradékként előálló szilárd anyag nedvességtartalmát oly módon állítjuk be, hogy egy vagy több lépésben szárítjuk, melynek során a nedvességtartalmat előnyösen 2-30 %-ra, adott esetben 60 %-ra, de legfeljebb 68 %-ra állítjuk be.In a preferred embodiment of the process according to the invention, the moisture content of the solid material resulting from the fermentation residue is adjusted by drying it in one or more steps, during which the moisture content is preferably adjusted to 2-30%, optionally to 60%, but not more than 68%.
A találmány szerinti eljárás további előnyös foganatosítása esetén a fermentálási maradékként előálló szilárd anyagot előnyösen őrléssel vagy darabolással egy vagy több lépésben 0,1-50 mm szemcseméretűre, előnyösen 4-5 mm szemcseméretűre aprítjuk.In a further preferred embodiment of the process according to the invention, the solid material resulting as fermentation residue is preferably ground or chopped in one or more steps to a particle size of 0.1-50 mm, preferably to a particle size of 4-5 mm.
A találmány szerinti eljárás további előnyös foganatosítása esetén a fluidizációs tüzelés során alkalmazott égési hőmérséklet tartomány 500-950 °C, előnyösen 800-850 °C.In a further preferred embodiment of the method according to the invention, the combustion temperature range used during fluidization firing is 500-950 °C, preferably 800-850 °C.
A találmány szerinti eljárás további előnyös foganatosítása esetén a fermentálási maradékként előálló szilárd anyagot az előkészítés során egy vagy több lépésben szolárisan szárítjuk.In a further preferred embodiment of the process according to the invention, the solid material resulting from the fermentation residue is solar dried in one or more steps during the preparation.
A találmány szerinti eljárás további előnyös foganatosítása esetén a kinyert hőenergia továbbítása ismert módon, víz munkaközeg felhasználásával előnyösen kondenzációs hőcserélő segítségével történik a hőkiadó felület felé.In a further preferred embodiment of the method according to the invention, the extracted thermal energy is transferred to the heat-dissipating surface in a known manner, using water as a working medium, preferably with the aid of a condensation heat exchanger.
A találmány szerinti eljárás további előnyös foganatosítása esetén a tüzelési folyamat során a tüzelésre kerülő fermentációs maradékhoz időszakosan vagy folyamatosan a tüzelést vagy az égési folyamatot segítő adalékanyagot vagy kiegészítő tüzelőanyagot adagolunk.In a further preferred embodiment of the method according to the invention, an additive or supplementary fuel that aids the combustion or combustion process is added periodically or continuously to the fermentation residue to be burned during the combustion process.
A találmány szerinti eljárás további előnyös foganatosítása esetén a tüzelési folyamat során a tüzelésre kerülő fermentációs maradékhoz időszakosan vagy folyamatosan további éghető vagy nem éghető anyagot, adott esetben hulladékot és/vagy más tüzelőanyagot és/vagy katalizátort adagolunk.In a further preferred embodiment of the method according to the invention, during the combustion process, additional combustible or non-combustible material, optionally waste and/or other fuel and/or catalyst are added periodically or continuously to the fermentation residue to be burned.
A találmány szerinti eljárást a továbbiakban egy előnyös konkrét foganatosítási mód alapján ismertetjük:The method according to the invention is described below based on a preferred specific embodiment:
A találmány szerinti eljárás egy előnyös célszerű foganatosítása esetén a fermentáció szilárd melléktermékét ártalmatlanítjuk és energetikailag hasznosítjuk. Ezen célok megvalósítása érdekében első lépésként a fermentálás! maradék víztelenítésére van szükség. Ennek módja lehet mechanikus, termikus vagy szoláris, amely megoldások közül az utóbbi a leginkább célszerű. A víztelenítés után keletkező anyag nedvességtartalma kisebb, mint 60%, de célszerűen a 30%-os értéket is el lehet érni. A tüzelőanyag önálló égethetősége érdekében a víztelenítés mértékének abszolút határaként a következő feltétel adható:In a preferred and expedient embodiment of the process according to the invention, the solid by-product of fermentation is disposed of and utilized energetically. In order to achieve these goals, the first step is to dewater the fermentation residue. This can be done mechanically, thermally or solar, the latter being the most expedient. The moisture content of the material obtained after dehydration is less than 60%, but it is expedient to achieve a value of 30%. In order to ensure the independent combustion of the fuel, the following condition can be given as an absolute limit to the degree of dehydration:
* * * =Ho-hy ‘^ΗΟΗ,Β•ΑΐΛ)Τ>θ ’ ahol a Hu*-gal jelölt jellemző mennyiség számításához szükséges változók a következők:* * * = H o -h y '^ΗΟΗ,Β•ΑΐΛ)Τ > θ ' where the variables required to calculate the characteristic quantity denoted by H u * are the following:
Ho a fermentálás! maradék égéshője hv* a víz 850 °C-on és a tüzelőanyag belépési hőmérsékletén (tipikusan 25 °C-on) érvényes fajlagos entalpiájának különbsége (tipikusan 4,1735 MJ/kg),H o is the residual heat of combustion of fermentation h v * is the difference between the specific enthalpy of water at 850 °C and the fuel inlet temperature (typically 25 °C) (typically 4.1735 MJ/kg),
Αηοη,β a fermentálási maradék égetése során távozó, a fermentálás! maradékra vetített relatív vízgőztömeg λ légfelesleg tényező (tipikusan 1,3).Αηοη,β is the relative water vapor mass released during the combustion of the fermentation residue, λ excess air factor (typically 1.3) projected onto the fermentation residue.
hC a tűztérbe lépő (előmelegített) levegő 850 °C-ra történő felmelegítéséhez szükséges fajlagos energia (400 °C levegő előmelegítést feltételezve hC = 0,490 MJ/kg), //LoT a fermentálási maradék sztöchiometrikus égetéséhez szükséges, a fermentálási maradékra vetített relatív levegőtömeg.hC is the specific energy required to heat the (preheated) air entering the combustion chamber to 850 °C (assuming 400 °C air preheating, hC = 0.490 MJ/kg), //Lo T is the relative air mass per fermentation residue required for stoichiometric combustion.
E feltétel teljesülése egy adott, de tipikusnak tekinthető, vizsgált fermentációs maradék esetében gyakorlatilag csak két jellemzőtől függ, az alkalmazott légfelesleg tényezőtől és a levegő belépési hőmérsékletétől.The fulfillment of this condition in the case of a given, but typical, fermentation residue tested depends practically on only two characteristics, the applied excess air factor and the air inlet temperature.
A fentieknek megfelelő mértékben víztelenített fermentálási szilárd mellékterméket aprítani kell. Ezen művelet megvalósítható a szokásos eszközökkel (légszér, malom), de esetünkben célszerű a víztelenítéssel egy egységben, annak folyamán elvégezni. így ugyanis a kezdetben laza anyag a víztelenítés folyamán nem áll össze rögökké, amelyek utólagos őrlése jóval nehezebb, igényesebb feladat.The fermentation solid by-product, which has been dehydrated to the extent specified above, must be crushed. This operation can be carried out using standard equipment (air mill, mill), but in our case it is advisable to carry it out in one unit with the dehydration, during it. This way, the initially loose material does not form lumps during the dehydration process, the subsequent grinding of which is a much more difficult and demanding task.
Az így előálló anyag átmeneti tárolóba, hombárba helyezhető, ahonnan megfelelően kialakított adagolóval a fluidizációs tüzelésű kazán tűzterébe adagolható. Mivel tapasztalataink szerint a bunkerben tárolt anyag boltozódásra igen hajlamos, a hombáradagoló berendezést úgy kell kialakítani, hogy az a felboltozódást megakadályozza. Ennek egyik lehetséges megoldása az adagolóval együtt működtetett, a hombár tartalmának jelentős részére kiterjedő keverő beépítése.The resulting material can be placed in a temporary storage, a hopper, from where it can be fed into the firebox of the fluidized bed boiler with a suitably designed feeder. Since, according to our experience, the material stored in the bunker is very prone to arching, the hopper feeding device must be designed in such a way that it prevents arching. One possible solution to this is to install a mixer operating together with the feeder, covering a significant part of the hopper contents.
A fluidizációs tüzelésű kazán tüzterében inert anyag, tipikusan homok található, amelynek mennyisége a tűztér térfogatának 0,5-5%-át tölti ki. Ezen ágyanyaggal ellátott tűztérbe az égési levegőt alulról fújják be, amely befuvás hatására a szilárd inert ágyanyag lebegni kezd, vagyis fluidizált réteget alkot. A fluid ágy előzetes felmelegítése után - amely pl. gázégő segítségével történhet - be lehet vezetni a víztelenített, aprított fermentálási maradékot. Erre akkor kerülhet sor, ha az ágyhőmérséklet (azaz a tűztér hőmérséklet) elérte a fermentálási maradék gyulladási hőmérsékletét. A felfűtést az üzemi hőmérséklet eléréséig kell ezután folytatni, amelynek tipikus értéke 850 °C.The firebox of a fluidized bed boiler contains an inert material, typically sand, which fills 0.5-5% of the volume of the firebox. Combustion air is blown into the firebox with this bed material from below, which causes the solid inert bed material to float, i.e. forms a fluidized layer. After preheating the fluidized bed - which can be done, for example, with the help of a gas burner - the dehydrated, chopped fermentation residue can be introduced. This can be done when the bed temperature (i.e. the firebox temperature) has reached the ignition temperature of the fermentation residue. The heating must then be continued until the operating temperature is reached, which is typically 850 °C.
Ezen a hőmérsékleten ugyanis a levegőben levő nitrogén termikus- és prompt oxidációja még nem játszódik le, a kénmegkötés szempontjából fontos reakciók viszont már lejátszódnak.At this temperature, the thermal and prompt oxidation of nitrogen in the air does not yet occur, but reactions important for sulfur fixation are already taking place.
A szilárd tüzelőanyagok, így a fermetálás szilárd mellékterméke is nem elhanyagolható mértékben tartalmaz ként, ami más, ismert tüzelési módok esetében a kiemelkedően káros kén-oxidokként távozik a tüztérből. A fluidizációs tüzelési mód lassú kiégési folyamatai azonban lehetővé teszik, hogy ezek az anyagok még a tűztérben megkötődjenek pl. kalcium jelenléte esetén. Gyakori megoldás ezért a fluidizációs tüzelési technikában mészkő adalékolása. Erre azonban a szennyvíztisztítóból származó fermentálási maradék esetében nincs szükség, mert ez az anyag maga tartalmaz elegendő mennyiségű kalciumot a benne levő kén megkötéséhez.Solid fuels, including the solid by-product of fermentation, also contain a significant amount of sulfur, which in other known combustion methods is released from the combustion chamber as extremely harmful sulfur oxides. However, the slow combustion processes of the fluidization combustion method allow these substances to bind in the combustion chamber, e.g. in the presence of calcium. A common solution in the fluidization combustion technique is therefore the addition of limestone. However, this is not necessary in the case of fermentation residue from wastewater treatment plants, because this material itself contains sufficient calcium to bind the sulfur contained in it.
A tüztérből távozó füstgázból cirkulációs fluidizációs berendezés esetén ciklon segítségével választjuk le és a tűztérbe visszakeringetjük (recirkuláltatjuk) a szilárd szemcséket, amelyek nemcsak inert anyagot, hanem éghetőt is tartalmaznak.In the case of a circulation fluidization device, solid particles, which contain not only inert material but also combustible material, are separated from the flue gas leaving the furnace using a cyclone and recirculated back into the furnace.
A kiindulási szemcseméret az égés során jelentős aprózódáson megy keresztül. A ciklonból távozó szemcsék finomabbak, mint a ciklon előtti bemenő por, ami az égésben (és kéntelenítésben) részt vesz. A durvább frakciók nyilván többször keringenek, mint a finomabbak.The initial particle size undergoes significant reduction during combustion. The particles leaving the cyclone are finer than the incoming dust before the cyclone, which participates in combustion (and desulfurization). The coarser fractions obviously circulate more often than the finer ones.
A tüztérből (tipikusan ciklonon át) távozó füstgáz a fermentálási maradék eltüzelése esetén még jelentős megelőző víztelenítés mellett is nagy mennyiségben tartalmaz vízgőzt, amelynek párolgáshője tetemes energiatartalmat képvisel. Ennek hasznosítása érdekében alkalmazunk kondenzációs kazánt az égetés során felszabaduló energia kinyerésére.The flue gas leaving the furnace (typically through a cyclone) when the fermentation residue is burned contains a large amount of water vapor, even with significant preliminary dehydration, the heat of vaporization of which represents a substantial energy content. In order to utilize this, we use a condensing boiler to extract the energy released during combustion.
A találmány szerinti megoldást a továbbiakban a mellékelt ábrák alapján ismertetjük:The solution according to the invention is described below based on the attached figures:
Az 1. ábra a találmány szerinti eljárás megvalósításához előnyösen felhasznált berendezés egy lehetséges elvi elrendezését mutatja.Figure 1 shows a possible schematic arrangement of an apparatus preferably used to implement the method according to the invention.
A 2. ábra a találmány szerinti eljárás legáltalánosabb menetének folyamatábráját mutatja.Figure 2 shows a flow chart of the most general procedure of the method according to the invention.
A 3. ábra a találmány szerinti eljárás során alkalmazott szárítási folyamat víztelenítési határgörbéit mutatja.Figure 3 shows the dewatering limit curves of the drying process used in the process according to the invention.
A 4. ábra táblázata a kísérletek során vizsgált fermentálási maradékra, annak különböző mértékben víztelenített eseteire vonatkozó jellemzőket foglalja össze.The table in Figure 4 summarizes the characteristics of the fermentation residue examined during the experiments and its dehydrated cases to various degrees.
Az 5. ábrán a fermentálási maradék hamujának elemzése során kapott értékek találhatóak.Figure 5 shows the values obtained during the analysis of the ash of the fermentation residue.
A 6. ábra az inert atmoszférában végzett TG-MS vizsgálat eredményeit foglalja össze.Figure 6 summarizes the results of the TG-MS study performed in an inert atmosphere.
A 7. ábrán az oxidatív atmoszférában végzett TG vizsgálat eredményeit mutatjuk be.Figure 7 shows the results of the TG test performed in an oxidative atmosphere.
A 8. ábrán a fermentálási maradék tüzelése során, valamint az azt közvetlenül megelőző időszakban kialakult legfontosabb hőmérsékletek időbeli alakulása látható.Figure 8 shows the time evolution of the most important temperatures during the combustion of the fermentation residue and in the period immediately preceding it.
A 9. ábrán a tűztér alsó részérben levő portömegre jellemző nyomáskülönbséget ábrázoló diagram látható.Figure 9 shows a diagram depicting the pressure difference characteristic of the dust mass in the lower part of the firebox.
A 10. ábra a tűztérbe lépő gázáramok és a hozzájuk tartozó szelepek pozíciójának időfüggvényét mutatják.Figure 10 shows the time function of the gas flows entering the firebox and the position of their associated valves.
All. ábrán a fermentálási maradék kísérleti tüzeléséből származó hamu néhány szénkémiai jellemzőjét foglaltuk össze.In Figure All., we summarize some of the carbon chemical characteristics of the ash from the experimental combustion of the fermentation residue.
Az 1. ábra a találmány szerinti eljárás megvalósításához előnyösen felhasznált berendezés egy lehetséges elvi elrendezését mutatja. Az ábrán látható az 1 fluidizációs tüzelő berendezés, amelynek a fermentációs melléktermék tüzelésére szolgáló függőlegesen kiképzett, hosszúkás, 2 tűztere van. A 2 tüztér felső részéhez oldalirányú csatornán csatlakozik az alul szűkülettel rendelkező 3 ciklon. A 3 ciklon felső részébe csatlakozik a függőlegesen induló 8 füstgáz csatorna, amely a 6 hőcserélőket tartalmazó 4 füstgáz hőhasznosítóhoz csatlakozik. A 4 füstgáz hőhasznosítón található 5 füstgáz kivezetés az eljárás végtermékeként keletkező gáz égéstermék kivezető nyílása.Figure 1 shows a possible conceptual arrangement of the apparatus preferably used for implementing the method according to the invention. The figure shows the fluidization combustion apparatus 1, which has a vertically formed, elongated combustion chamber 2 for burning the fermentation by-product. The cyclone 3 with a narrowed bottom is connected to the upper part of the combustion chamber 2 via a lateral channel. The flue gas channel 8 starting vertically is connected to the upper part of the cyclone 3, which is connected to the flue gas heat exchanger 4 containing the heat exchangers 6. The flue gas outlet 5 located on the flue gas heat exchanger 4 is the outlet opening for the gas combustion product generated as the final product of the process.
A 3 ciklon aljában a 19 szifon levegő bevezetéssel és 13 levegő elosztóval rendelkező 7 szifon van, amelyből egy lejtős kiképzésű 11 surrantó vezet az 1 fluidizációs tüzelő berendezés 2 tűzterének aljába. A 2 tűztér aljában a 15 primer levegő bevezetés és 12 levegő elosztó van kialakítva. A 2 tűztér alsó részébe nyúlik be továbbá a 14 indító égő. A 2 tűztér oldalában egymás fölött van kialakítva a tüzelési folyamat megfelelő égési viszonyainak beállítására és szabályzására szolgáló 16 szekunder levegő bevezetés és 17 tercier levegő bevezetés is. A 2 tűztér legalsó részéből vezet ki továbbá a 18 salak ürítő, amely az égés során összegyűlő szilárd anyag eltávolítására szolgál.At the bottom of the cyclone 3 there is a siphon 7 with a siphon air inlet 19 and an air distributor 13, from which a sloping chute 11 leads to the bottom of the firebox 2 of the fluidization combustion device 1. At the bottom of the firebox 2 there is a primary air inlet 15 and an air distributor 12. Furthermore, the starter burner 14 extends into the lower part of the firebox 2. On the side of the firebox 2 there are also a secondary air inlet 16 and a tertiary air inlet 17, which serve to set and regulate the appropriate combustion conditions of the combustion process. Furthermore, the slag discharger 18 leads out from the lowest part of the firebox 2, which serves to remove solid material collected during combustion.
A tüzelési folyamat hőmérsékleti paramétereinek követésére a 2 tűztér megfelelő részein a TI tűztér alsó hőmérséklet mérő, T2 tűztér középső hőmérséklet mérő, T3 tűztér felső hőmérséklet mérő, valamint a 4 füstgáz hőhasznosító 5 füstgáz kivezetésében a T4 kilépő füstgáz hőmérséklet mérő van elhelyezve. A tüzelési folyamat nyomás paramétereinek követésére pedig a 2 tűztér megfelelő részein a Pl tűztér alsó nyomásmérő és P2 tűztér középső nyomás mérő van elhelyezve.To monitor the temperature parameters of the combustion process, the TI lower combustion chamber temperature meter, T2 middle combustion chamber temperature meter, T3 upper combustion chamber temperature meter, and the T4 outlet flue gas temperature meter are located in the flue gas outlet 5 of the flue gas heat utilization unit 4 in the corresponding parts of the combustion chamber 2. To monitor the pressure parameters of the combustion process, the Pl lower combustion chamber pressure meter and P2 middle combustion chamber pressure meter are located in the corresponding parts of the combustion chamber 2.
Az 1. ábrán bemutatott berendezés esetében a tüzelésre kerülő megfelelően szárított és aprított fermentációs melléktermék az ejtő rendszerű 9 hombárba kerül. A bevitt mennyiség szabályozása a 9 hombár aljában levő 10 adagoló segítségével történik. Az adagolóból a tüzelésre kerülő fermentációs melléktermék a lejtős kialakítású 11 surrantón keresztül az 1 fluidizációs tüzelő berendezés 2 tűzterének aljába jut, ahonnan az ott bevezetett primer levegő segítségével bekerül a 2 tűztér belsejében zajló fluidizációs folyamatba, melynek során folyamatosan kiég. A tüzelési folyamat során a betáplált tüzelőanyag a megfelelő égetési paraméterek betartása mellett folyamatosan önállóan ég. A fluidizációs tüzelési folyamat során keletkező gáznemű égéstermék, és a részben a még el nem égett szilárd anyag a 2 tűztér felső részhez csatlakozó csatornán át a 3 ciklon felső részébe kerül. A 3 ciklonban megtörténik a gáznemű égéstermék és a 2 tűztérből kikerült szilárd anyag szétválasztása, és a felülről benyúló 8 füstgáz csatorna segítségével a gáznemű égéstermék a 4 füstgáz hőhasznosítóba kerül. Itt a gáznemű égéstermék hője a 6 hőcserélők segítségével kerül kinyerésre és további hasznosításra. A 3 ciklonban leválaszott szilárd anyag a 3 ciklon aljában levő 7 szifonba kerül, ahonnan a lejtős kialakítású 11 surrantón keresztül visszakerül a 2 tűztér aljába. Ezzel a még nem teljesen elégett szemcsés szilárd anyag újra visszakerül az égetési folyamatba. A 7 szifonban levő 13 levegő elosztó és az oda vezetett szifon levegő a szilárd szemcsék visszaáramlást segíti illetve szabályozza.In the case of the device shown in Figure 1, the properly dried and shredded fermentation by-product to be fired is fed into the dropping system 9 hopper. The amount fed is controlled by the feeder 10 at the bottom of the hopper 9 . From the feeder, the fermentation by-product to be fired enters the bottom of the firebox 2 of the fluidization combustion device 1 through the inclined chute 11, from where it enters the fluidization process taking place inside the firebox 2 with the help of the primary air introduced there, during which it continuously burns. During the firing process, the fed fuel continuously burns independently while maintaining the appropriate combustion parameters. The gaseous combustion product generated during the fluidization firing process and the partially unburned solid material are fed into the upper part of the cyclone 3 through the channel connected to the upper part of the firebox 2. The gaseous combustion product and the solid material discharged from the combustion chamber 2 are separated in the cyclone 3, and the gaseous combustion product is conveyed to the combustion chamber 4 by means of the flue gas channel 8 extending from above. Here, the heat of the gaseous combustion product is extracted and further utilized by means of the heat exchangers 6. The solid material separated in the cyclone 3 is conveyed to the siphon 7 at the bottom of the cyclone 3, from where it is returned to the bottom of the combustion chamber 2 through the inclined chute 11. In this way, the not yet completely burned particulate solid material is returned to the combustion process. The air distributor 13 in the siphon 7 and the siphon air supplied there assist and regulate the return flow of the solid particles.
A 2. ábra a találmány szerinti eljárás legáltalánosabb menetének folyamatábráját mutatja. A találmány szerinti eljárás fő lépései a következők. Először a fermentálás! maradék víztelenítése, nedvességtartalmának beállítása történik meg, majd vagy ezzel együtt vagy külön fázisban a megfelelő szemcseméretre aprítás. Ezt követi a tüzelő berendezésbe történő adagolás, majd az abban történő égetés, adott esetben több ciklusban történő recilkuláció. A folyamat végén a keletkező gáznemű égéstermékből történik meg a hőhasznosítás, de adott esetben ez már az égési folyamat közben a tűztérből is megkezdődik. A kinyert hőenergia továbbítása ismert módon, víz hőhordozó felhasználásával történik a hőkiadó felület felé.Figure 2 shows a flow chart of the most general process of the process according to the invention. The main steps of the process according to the invention are as follows. First, the fermentation residue is dehydrated and its moisture content is adjusted, then either together with this or in a separate phase, it is crushed to the appropriate particle size. This is followed by feeding into the combustion device, then combustion in it, optionally recycling in several cycles. At the end of the process, heat utilization is performed from the resulting gaseous combustion product, but optionally this can also begin from the firebox during the combustion process. The extracted heat energy is transmitted to the heat-dissipating surface in a known manner, using water as a heat carrier.
Az eljárás során alkalmazott kiinduló anyag, a fermentáció szilárd mellékterméke először a víztelenítő, aprító berendezésbe kerül, ahonnan a fluidizációs tüzelésű kazán adagolójának gyűjtő hombárjába. Az adagoló a tűztérben fluidizált állapotban lévő, magas hőmérsékletű ágyanyagba juttatja a víztelenített, aprított szilárd anyagot, ahol az égni kezd. Az ágyanyagot az éghető szilárd anyaggal együtt az alulról befújt (primer) levegő tartja fluidizált állapotban, és ez biztosítja az égéshez szükséges oxigén egy részét is. További levegő bevezetés lehetséges szekunder- és tercier levegőként a tűztér magasabb szintjein. Az égés során keletkező füstgáz a tűztér felső részénél távozik. Nagyobb fluidizáló légsebességet alkalmazó, ún. cirkulációs fluidizációs kazánok esetében a füstgáz áram szilárd szemcséket (inert port és éghető anyagot) is magával ragad, amelyek leválasztása a ciklonban lehetséges. A leválasztott szilárd anyag azután a tűztérbe lép vissza. A szilárd anyagtól (jórészt) megtisztított füstgáz a füstgáz hőhasznosítóba lép, amelynek feladata a füstgáz lehűtése révén a benne levő energiatartalom hasznosítása. A találmányban szereplő megoldásban itt a füstgázban lévő, jelentős mennyiségű vízgőz lekondenzálása történik a párolgáshő energetikai hasznosítása céljából.The starting material used in the process, the solid by-product of fermentation, is first fed into the dewatering and grinding equipment, from where it is fed into the collecting chamber of the fluidization boiler feeder. The feeder feeds the dewatered, ground solid material into the high-temperature bed material in the firebox, where it begins to burn. The bed material, together with the combustible solid material, is kept in a fluidized state by the (primary) air blown in from below, which also provides part of the oxygen required for combustion. Additional air can be introduced as secondary and tertiary air at higher levels of the firebox. The flue gas produced during combustion is discharged at the top of the firebox. In the case of so-called circulating fluidization boilers that use a higher fluidization air velocity, the flue gas stream also entrains solid particles (inert dust and combustible material), which can be separated in the cyclone. The separated solid material then returns to the firebox. The flue gas, which has been (mostly) cleaned of solid matter, enters the flue gas heat recovery unit, whose task is to utilize the energy content in the flue gas by cooling it. In the solution included in the invention, a significant amount of water vapor in the flue gas is condensed here for the purpose of energetic utilization of the evaporation heat.
A találmány szerinti eljárás során előnyösen alkalmazott, tipikusan 850 °C körüli tűztérhőmérsékleten a levegő nitrogénjének termikus- és prompt oxidációja még nem játszódik le, ami pedig más tüzelési megoldásokban az ΝΟχ képződésének meghatározó részét adja; a nitrogénoxid-kibocsátás további csökkentését pedig a levegő megosztott bevezetése szolgálja. A fluid ágy alkalmazása emellett lehetőséget ad az égés során a tüzelőanyagból felszabaduló kén hatékony megkötésére is, amit tipikusan mészkő adalékolásával érnek el. Ekkor a már oxidált kén a beadott mészkővel közvetlenül vagy közvetve gipsszé alakul, azaz megkötődik magában a tűztérben — ahelyett, hogy SO2 vagy SO3 formájában a környezetbe távoznék. Az így keletkezett gipsz — tisztítás után - ipari célokra még fel is használható.At the preferred combustion chamber temperature of around 850 °C, typically used in the process according to the invention, the thermal and prompt oxidation of nitrogen in the air does not yet take place, which is the determining factor in the formation of ΝΟχ in other combustion solutions; further reduction of nitrogen oxide emissions is achieved by the divided introduction of air. The use of a fluidized bed also provides the opportunity to effectively bind the sulfur released from the fuel during combustion, which is typically achieved by adding limestone. At this time, the already oxidized sulfur is converted directly or indirectly into gypsum with the added limestone, i.e. it is bound in the combustion chamber itself — instead of being released into the environment in the form of SO2 or SO3. The gypsum thus formed — after purification — can even be used for industrial purposes.
A hőmérsékleteket, nyomásokat és gázáramokat számítógépes adatgyűjtőhöz csatlakozó távadókkal méljük. A füstgázban levő CO2, O2, SO2, NO, NO2, CO, THC (éghető szénhidrogén) összetevőket egy digitális elemző-adatgyűjtő rögzíti. Az együttes értékelés a kiegészítő műszerek, mintavételek és egyéb információk alapján történik.Temperatures, pressures and gas flows are measured by transmitters connected to a computer data logger. The components CO2, O2, SO2, NO, NO2, CO, THC (combustible hydrocarbons) in the flue gas are recorded by a digital analysis data logger. The overall evaluation is based on additional instruments, sampling and other information.
A 3. ábra a találmány szerinti eljárás során alkalmazott szárítási folyamat víztelenítési határgörbéit mutatja. A diagram megadja, hogy adott körülmények között legfeljebb mekkora nedvességtartalommal rendelkezhet az önálló tüzelésre szánt fermentációs maradék. így például (1)λ=1 ,3 légfelesleg tényező és 0Lev,be=400°C levegő előmelegítési hőmérséklet esetén a fluidizációs tüzelés 850°C-os tipikus tűztérhőmérsékletén történő önálló égetéshez legfeljebb γΗθΗ<67,9% nedvességtartalom engedhető meg.Figure 3 shows the dewatering limit curves of the drying process used in the process according to the invention. The diagram indicates the maximum moisture content of the fermentation residue intended for independent combustion under given conditions. For example, with an excess air factor of (1)λ=1.3 and an air preheating temperature of 0 L ev,be = 400°C, a maximum moisture content of γΗθΗ<67.9% is allowed for independent combustion at a typical combustion chamber temperature of 850°C in fluidized bed combustion.
A diagram továbbá mutatja, hogy például (2) λ = 1,3 légfelesleg tényező és yhoh = 70% nedvességtartalom mellett a tűztérbe lépő levegőnek legalább 0Lev,be>580°C (előmelegítési) hőmérséklettel kell rendelkezni.The diagram also shows that, for example (2) with an excess air factor of λ = 1.3 and a humidity of yhoh = 70%, the air entering the combustion chamber must have a temperature of at least 0Lev,be>580°C (preheating).
A találmány szerinti eljárást, továbbá az eljárás próbaüzeme során végzett mérések eredményeit a továbbiakban a következő kísérleti példa alapján ismertetjük:The method according to the invention, as well as the results of measurements carried out during the trial operation of the method, are described below based on the following experimental example:
Az eljárás során a kísérleti vizsgálat előkészítéseként meghatároztuk a tüzelőanyagként alkalmazott fermentációs melléktermék összetételét:During the procedure, in preparation for the experimental study, we determined the composition of the fermentation by-product used as fuel:
A tüzelőanyag szénkémiai jellemzői Brandt (1981) könyve alapján kerülnek tárgyalásra, amely a jelölések és a metodika vonatkozásában teljesen megegyezik a DIN 1942 jelű szabványban rögzítettekkel.The carbon chemical characteristics of the fuel are discussed based on the book by Brandt (1981), which is completely identical to those set out in the DIN 1942 standard in terms of notation and methodology.
A kiindulás a tüzelőanyag elemi összetétele, amely az egyes alkotók tömegarányát adja meg a nyers tüzelőanyagra vonatkoztatva. A mértékegység minden esetben kg/kg:The starting point is the elemental composition of the fuel, which gives the mass ratio of each component in relation to the raw fuel. The unit of measurement is always kg/kg:
7hoh nedvességtartalom, yA hamutartalom, yc karbontartalom, yH hidrogéntartalom, ys kéntartalom, yN nitrogéntartalom, yo oxigéntartalom.7hoh moisture content, y A ash content, yc carbon content, yH hydrogen content, y s sulfur content, y N nitrogen content, yo oxygen content.
A fentiek közül csak az első hatot szokás laboratóriumban kimérni, az oxigéntartalom ezekből számítandó, mivel a tüzelőanyag alkotóinak összege ismert:Of the above, only the first six are usually measured in the laboratory, the oxygen content must be calculated from these, since the sum of the fuel components is known:
/HÓK + /A + /C + /Η + /S + /Μ + /O = 1 , amiből az is látszik, hogy pl. a nedvességtartalomban levő hidrogén nem számít bele a yn -val jelölt külön hidrogéntartalomba./HÓK + /A + /C + /Η + /S + /Μ + /O = 1 , which also shows that, for example, the hydrogen in the moisture content does not count towards the separate hydrogen content denoted by yn .
A mérés előkészítése, valamint a további feladatok szempontjából fontos ezen jellemzők átszámítása más nedvességtartalomra a következő összefüggés szerint:In terms of preparing the measurement and further tasks, it is important to convert these characteristics to other moisture contents according to the following relationship:
v v 1~/hoh>’ /1 /1 , , ’ ~ /hoh ahol i index az átszámított összetevőre (A, C, H, S, N, O); egy- ill. két vessző (’ ill. ”) pedig a kiindulási- ill. az átszámított állapotra utal. vv 1 ~/hoh > ' /1 /1 , , ' ~ /hoh where i is the index for the converted component (A, C, H, S, N, O); one or two commas (' or ”) refer to the initial or converted state.
A számítások szempontjából meghatározó fontosságú stöchiometrikus égési alapmennyiségek, és azok kifejezése a tüzelőanyag elemi összetétele alapján - szintén a tüzelőanyag tömegére vonatkoztatva, kg/kg dimenzióval - a következők.The stoichiometric combustion basic quantities of decisive importance for the calculations, and their expression based on the elemental composition of the fuel - also referred to the mass of the fuel, with the dimension kg/kg - are as follows.
Elméleti száraz égési relatív levegőtömeg:Theoretical dry combustion relative air mass:
AloT = 11,5122 · rc + 34,2974 · yH + 4,3129 · ys - 4,3212 · yo .AloT = 11.5122 · rc + 34.2974 · y H + 4.3129 · y s - 4.3212 · y o .
Elméleti száraz relatív fiistgáztömeg:Theoretical dry relative flue gas mass:
ZW = 12,5122-yc +26,3604-yH +5,3129./s -3,3212-yo +l,0 yN .ZW = 12.5122-y c +26.3604-y H +5.3129./ s -3.3212-y o +l.0 y N .
Elméleti száraz relatív füstgáztérfogat normál állapotban:Theoretical dry relative flue gas volume in normal conditions:
EGoT = 8,8930 · yc + 20,9724 · yH + 3,3190 · ys - 2,6424 yo + 0,7997 · .E GoT = 8.8930 · y c + 20.9724 · y H + 3.3190 · y s - 2.6424 y o + 0.7997 · .
Elméleti égési relatív vízgőztömeg:Theoretical combustion relative water vapor mass:
Αηοη,β = 8,9370 · yH +1,0 · yHOH .Αηοη,β = 8.9370 · y H +1.0 · y HOH .
A tüzelőanyag fontos jellemzője még Ho égéshője, amely nem más, mint az égés során felszabaduló fajlagos energia (figyelembe véve, hogy a víz égéstermék folyadék halmazállapotú). Értéke laboratóriumban szintén kimérhető.Another important characteristic of the fuel is its heat of combustion H o , which is nothing more than the specific energy released during combustion (taking into account that water is a liquid combustion product). Its value can also be measured in the laboratory.
Ebből kiszámítható a //u-val jelölt futőérték, amely az égés során felszabaduló fajlagos energia - figyelembe véve, hogy a víz égéstermék gőzfázisú:From this, the running value denoted by // u can be calculated, which is the specific energy released during combustion - taking into account that the water combustion product is in the vapor phase:
#u -¼ ·Αηοη,β ’ ahol a szabvány szerint ht = 2,4425 MJ / kg, vagyis a víz párolgáshője 25 °C-on. A futőérték tehát figyelembe veszi, hogy az égés során felszabaduló energiát csökkenti a keletkező víz égéstermék elpárologtatásához szükséges hő. Nem veszi azonban figyelembe a keletkező vízgőz túlhevítéséhez szintén szükséges hőt, valamint a levegő felmelegítéséhez szükséges hőt. Mivel a fluidizációs tüzelés tűztérhőmérséklete jól definiált (tipikusan 850 °C), meg lehet határozni azt a relatív hőmennyiséget, amely az égés során felszabadul - figyelembe véve a keletkező víz égéstermék ezen hőmérsékletre történő túlhevítése és az égési levegő felmelegítése során elvont hőt is. Ez az a jellemző, amit fentebb Hu -gal jelölve vezettünk be.#u -¼ ·Αηοη,β ' where according to the standard h t = 2.4425 MJ / kg, i.e. the heat of vaporization of water at 25 °C. The running value therefore takes into account that the energy released during combustion is reduced by the heat required to evaporate the resulting water combustion product. However, it does not take into account the heat also required to superheat the resulting water vapor, as well as the heat required to heat the air. Since the combustion chamber temperature of fluidization combustion is well defined (typically 850 °C), it is possible to determine the relative amount of heat released during combustion - taking into account the heat absorbed during the superheating of the resulting water combustion product to this temperature and the heating of the combustion air. This is the characteristic that we introduced above, denoted by H u .
Megjegyzendő, hogy éppen a nagy nedvességtartalom miatt szerepel a találmányban kondenzációs kazán, amelyből végül kinyerhető fajlagos hő -nál, sőt Hu -nál is magasabb (H0-t közelítő) lesz, de az önálló tüzelés fenntarthatósága érdekében Hv -nak ekkor is határozottan pozitívnak kell lennie.It should be noted that the invention includes a condensing boiler precisely because of the high moisture content, from which the specific heat that can ultimately be extracted will be higher than H u , and even higher than H 0 (approaching H 0 ), but in order to ensure the sustainability of independent combustion, H v must still be definitely positive.
A kondenzációs kazán belsejében összességében hasznosítható fajlagos hő is meghatározható a következő formula segítségével:The overall usable specific heat inside the condensing boiler can also be determined using the following formula:
Ahoh,b~^'^l 'AloT ’ ahol 70 °C-os kilépő füstgáz hőmérsékletet feltételezve hy* a víz 25 °C-on és 70 °C-on érvényes entalpiájának különbsége: 188,17 kJ/kg, hC* a környezeti levegő kazánba lépésének- és onnan füstgázként való távozásának helyén érvényes fajlagos entalpiájának a különbsége: 49,01 kJ/kg (25 °C-os belépés és 70 °C-os távozás esetén).Ahoh,b~^'^l 'AloT ’ where, assuming an exit flue gas temperature of 70 °C, hy* is the difference in the enthalpy of water at 25 °C and 70 °C: 188.17 kJ/kg, hC* is the difference in the specific enthalpy of ambient air at the point of entry into the boiler and exit as flue gas: 49.01 kJ/kg (in case of 25 °C entry and 70 °C exit).
A valóban munkaközeg melegítésére hasznosuló hő ennél kevesebb, mert csökkentik az átalakítás veszteségei (pl. a környezet melegítése), de a füstgáz veszteség nem csökkenti, mert azt a fenti formula már figyelembe vette.The heat actually used to heat the working medium is less than this because it is reduced by conversion losses (e.g. heating the environment), but the flue gas loss is not reduced because it has already been taken into account in the above formula.
Ezen jellemzőket foglalja össze a 4. ábra táblázata a kísérletek során vizsgált fermentálás! maradékra, annak különböző mértékben víztelenített eseteire. Ezen ábra kiindulási adatai tehát az adott fermentációs maradék szénkémiai tulajdonságainak laboratóriumi elemzése (Adatok: Takács, 2004 a).These characteristics are summarized in the table in Figure 4 for the fermentation residue examined during the experiments, and for its dehydrated cases to various degrees. The starting data for this figure are therefore the laboratory analysis of the carbon chemical properties of the given fermentation residue (Data: Takács, 2004 a).
Látható, hogy a fermentációs maradék az eredeti állapotában a fluidizációs tüzelési technológiával nem tüzelhető, hiszen Hu* = -0,36 MJ / kg < 0. (Más technológiával sem, mert ezek hőmérséklete általában magasabb, mint az itt figyelembe vett 850 °C.) Valamilyen víztelenítésre tehát feltétlenül szükség van.It can be seen that the fermentation residue cannot be fired in its original state using the fluidization firing technology, since H u * = -0.36 MJ / kg < 0. (Nor with other technologies, because their temperatures are usually higher than the 850 °C considered here.) Some form of dehydration is therefore absolutely necessary.
A gyakorlatban alkalmazott egyik technológia során a fermentálás! maradék ezen állapotát (70,7%-os nedvességtartalmát) centrifugálással érik el. Ennél eredményesebb technológia is létezik azonban (az igen energiaigényes termikus szárítást nem említve), melynek során préses víztelenítőket alkalmaznak, amelyek elhanyagolható teljesítményfelvétel mellett ^hoh = 60% nedvességtartalmat érnek el. A továbbiakban ezt az értéket tekintjük referenciának mint reálisan biztosan megvalósítható megoldás eredményét.In one of the technologies used in practice, this state of the fermentation residue (70.7% moisture content) is achieved by centrifugation. However, there is a more effective technology (not to mention the very energy-intensive thermal drying), in which press dewaterers are used, which achieve a moisture content of ^hoh = 60% with negligible power consumption. In the following, we will consider this value as a reference as the result of a realistically feasible solution.
A vizsgált fermentálás! maradék szénkémiai jellemzőinek összefoglalását mutatja különböző nedvességtartalmú állapotok elérése esetén a 4. ábra, amely a laboratóriumi adatok alapján a fenti egyenletek felhasználásával készült.Figure 4 shows a summary of the residual carbon chemical characteristics of the fermentation under study when different moisture content conditions are reached, which was prepared based on the laboratory data using the above equations.
Látható, hogy a vizsgált fermentálás! maradék már az egyszerű préses víztelenítési eljárás mellett is stabilan égethető fluidizációs tüzelésű kazánban: Hu (7hoh=60%) = 1,03 MJ / kg > 0. A hasznosítható fajlagos hő kondenzációs fluidizációs kazánban 4,47 MJ / kg.It can be seen that the examined fermentation residue can be stably burned in a fluidized bed boiler even with the simple press dewatering process: H u (7hoh = 60%) = 1.03 MJ / kg > 0. The usable specific heat in the condensing fluidized bed boiler is 4.47 MJ / kg.
Az kísérleti égetési folyamat során kapott hamu összetételének vizsgálata:Examination of the composition of the ash obtained during the experimental combustion process:
Elsősorban a kénmegkötés szempontjából fontos tudni, hogy miből áll a kiizzított szilárd tüzelőanyag (fermentálás! maradék) hamuja. Ennek feltárása érdekében laboratóriumi vizsgálatot végeztettünk (Adatok: Várhegyi et al. 2004 a). Az 5. ábrán a fermentálás! maradék (laboratóriumban izzított) hamujának elemzése során kapott értékek találhatóak.First of all, from the point of view of sulfur fixation, it is important to know what the ash of the calcined solid fuel (fermentation residue) consists of. In order to reveal this, a laboratory test was performed (Data: Várhegyi et al. 2004 a). Figure 5 shows the values obtained during the analysis of the ash of the fermentation residue (calcined in the laboratory).
Már itt látszik, de a fluidizációs kísérlet eredményeként méginkább szembeötlő volt a vas(III)-oxid jelenléte, ami a pernye határozottan barnás színét adja A kommunális szennyvízben fellelhető egyes komponensek eredetének tanulmányozása külön vizsgálatot is megérne. A legjelentősebb összetevő a homok (SiO2), a jelentős foszfortartalom pedig nyilván a mosószerekből származik.It is already visible here, but as a result of the fluidization experiment, the presence of iron(III) oxide was even more striking, which gives the fly ash its distinct brownish color. The study of the origin of individual components found in municipal wastewater would be worth a separate investigation. The most significant component is sand (SiO 2 ), and the significant phosphorus content obviously comes from detergents.
Természetesen a kalcium mennyisége a legfontosabb a fluidizációs tüzelésű kazán tűzterében (technológiába integráltan) lejátszódó kénmegkötés szempontjából, amely folyamat eredő egyenleteOf course, the amount of calcium is the most important in terms of sulfur fixation taking place in the firebox of a fluidized bed boiler (integrated into the technology), the resulting equation of which process is
CaO + SO2 + ΆΟζ —> CaSO4 .CaO + SO 2 + ΆΟζ —> CaSO 4 .
Láthatóan a stöchiometrikus viszony az nca/s = 1 kalcium/kén mól arány esetében áll fenn. Ezen jellemző konkrét értéke a megismert összetételi adatok alapján /CaO értékre adódik, ahol MCao és Ms a két anyag moláris tömege (56,079 mg/mol ill. 32,064 mg/mol). Ez azt jelenti, hogy a fermentálás! maradékban bő négyszer annyi kalcium van, mint amennyi a benne levő kén megkötéséhez — stöchiometrikus viszonyokat feltételezve - szükséges, sőt a kénlekötő képességet a további bázikus alkotók (MgO, K2O, Na2O) tovább növelik. A többlet fedezi a tökéletlen folyamatok igényét, vagyis ez a tüzelőanyag jól illeszkedik a fluidizációs tüzelési technológiához, hiszen annak integrált kénmegkötési tulajdonsága külön mészkő adalékolás nélkül, magára a tüzelőanyagban meglévő kalciumra alapozva lejátszódik. Ennek hatására igen alacsony SOx-kibocsátásra lehet számítani minden külön beavatkozás nélkül.The stoichiometric relationship is evidently valid for the calcium/sulfur mole ratio nca/s = 1. Based on the known composition data, the specific value of this characteristic is given by /CaO, where M Ca o and Ms are the molar masses of the two substances (56.079 mg/mol and 32.064 mg/mol, respectively). This means that the fermentation residue contains more than four times as much calcium as is necessary to bind the sulfur contained in it — assuming stoichiometric relations — and the sulfur binding capacity is further increased by the additional basic components (MgO, K 2 O, Na 2 O). The surplus covers the needs of imperfect processes, i.e. this fuel is well suited to fluidization combustion technology, since its integrated sulfur binding property occurs without the addition of separate limestone, based on the calcium present in the fuel itself. As a result, very low SO x emissions can be expected without any special intervention.
A fentiek alapján levonható következtetések:Conclusions that can be drawn based on the above:
- A fermentálás! maradék laboratóriumi vizsgálataiból kiderült többek között, hogy szokványos víztelenítési technológiát (préselést) alkalmazva stabilan égethető,- Laboratory tests of the fermentation residue revealed, among other things, that it can be stably burned using standard dehydration technology (pressing),
- 4,47 MJ / kg fajlagos hővel lehet kalkulálni a fenti víztelenítésen átesett (azaz 60% nedvességtartalmú) állapotban,- It can be calculated with a specific heat of 4.47 MJ / kg in the above dehydrated state (i.e. 60% moisture content),
- kalciumtartalma alapján fluidizációs tüzelésű kazánban égetve külön kénleválasztóra, sőt külön mészkő adagolásra sincs szükség,- based on its calcium content, when burned in a fluidized bed boiler, a separate sulfur separator or even separate limestone dosing is not required,
- a tüzelő berendezés méretezéséhez szükséges stöchiometrikus alapmennyiségek meghatározásra kerültek.- the stoichiometric basic quantities necessary for the sizing of the combustion equipment have been determined.
A találmány szerinti eljárás menetének vizsgálatára és a tüzelésre kerülő anyag tulajdonságainak elemzésére további mérések történek:Further measurements were performed to examine the progress of the process according to the invention and to analyze the properties of the material being fired:
Ennek során az úgynevezett TG-MS vizsgálati eljárást alkalmaztuk, amely két rész-eljárás összekapcsolásából áll. Az első ezek közül a „TG”, amelynek jelentése: „thermogravimetry”. Ennek során a vizsgált anyag súlyát regisztrálják, miközben meghatározott hőmérsékleti programnak vetik alá. Tüzelőanyagok esetében a szokásos hőmérsékleti program a hőmérséklet emelése pl. 40 °C/min gyorsasággal egészen 850 °C-ig, majd ennek elérése után néhány percig ezen hőmérséklet változatlan értéken tartása. Az anyagot körülvevő gáz összetételét szabályozzák, ami tipikusan lehet inert (argon) vagy oxidáló (oxigén, levegő). A hőmérsékleti program lefutása közben (pl. az illők távozása miatt) a vizsgált tüzelőanyag fokozatosan veszít súlyából, és a súly regisztrált változását szokás a TG vizsgálat G görbéjének nevezni. A számítógéppel rögzített időfiiggvény (numerikus) deriválása természetesen nem okoz gondot, és az így adódó görbe még szemléletesebben mutatja a súlycsökkenés szempontjából leginkább intenzív hőmérsékleti tartományokat (DTG görbe).In this process, we used the so-called TG-MS test method, which consists of a combination of two sub-processes. The first of these is “TG”, which stands for “thermogravimetry”. In this process, the weight of the tested material is recorded while it is subjected to a specific temperature program. In the case of fuels, the usual temperature program is to increase the temperature, e.g. at a rate of 40 °C/min up to 850 °C, and then to keep this temperature unchanged for a few minutes after reaching this value. The composition of the gas surrounding the material is controlled, which can typically be inert (argon) or oxidizing (oxygen, air). During the course of the temperature program (e.g. due to the escape of the impurities), the tested fuel gradually loses weight, and the registered change in weight is usually called the G curve of the TG test. The (numerical) derivative of the time function recorded by the computer is of course not a problem, and the resulting curve shows even more clearly the temperature ranges that are most intensive in terms of weight loss (DTG curve).
Annak érdekében, hogy az égési-, izzítási folyamatról még több információt szerezzünk, a távozó gázokat vizsgálni érdemes azok molekulatömeg szerinti szétválogatása útján. Erre, a TG berendezéshez kapcsolt második eszközre utal az eljárás nevében szereplő második rövidítés, az „MS” jelentése ugyanis „mass spectrometer”. Kimenő jelei tehát az adott hőmérsékleten, adott molekulatömeggel távozó anyagok relatív mennyisége.In order to obtain even more information about the combustion and annealing process, it is worth examining the exhaust gases by sorting them according to their molecular weight. The second abbreviation in the name of the procedure refers to this, the second device connected to the TG device, “MS” stands for “mass spectrometer”. Its output signals are therefore the relative amount of substances emitted at a given temperature and with a given molecular weight.
Az inert atmoszférában végzett TG-MS vizsgálat eredményeit a mellékelt 6. ábra foglalja össze. Az oxidatív atmoszférában végzett TG vizsgálat eredményeit pedig a 7. ábrán mutatjuk be.The results of the TG-MS study performed in an inert atmosphere are summarized in the attached Figure 6. The results of the TG study performed in an oxidative atmosphere are presented in Figure 7.
A fenti vizsgálatokból levonható következtetések:Conclusions that can be drawn from the above studies:
A 105 °C-os előszárítás, majd öblítés során a vizsgált fermentálási maradék elveszítette 68,5%-át, amely adat jól megfelel az elemi összetétel vizsgálata során kapott 70,7%-os nedvességtartalomnak.During pre-drying at 105 °C and then rinsing, the examined fermentation residue lost 68.5% of its moisture, which corresponds well to the 70.7% moisture content obtained during the analysis of the elemental composition.
Argon atmoszférában a 850 °C-os hőmérséklet eléréséig távozik a száraz anyag kereken 50%-a, de a súlycsökkenés legnagyobb része már a 250-500 °C-os tartományban megtörténik.In an argon atmosphere, approximately 50% of the dry matter is lost by the time the temperature reaches 850 °C, but the largest part of the weight loss occurs in the 250-500 °C range.
A félkoksz maradvány (char) 20% O2-tartalmú gázban történő égetése gyakorlatilag teljes mértékben lejátszódik a 350-500 °C-os tartományban.The combustion of semi-coke residue (char) in a gas containing 20% O 2 takes place practically completely in the range of 350-500 °C.
Ezek alapján a fermentálás! maradékról mint könnyen gyulladó, alacsony hőmérsékleten égő anyag képe bontakozik ki, vagyis amely kifejezetten jól illeszkedik a fluidizációs tüzelésű technológia jellegzetességeihez.Based on these, a picture emerges of the fermentation residue as a highly flammable, low-temperature burning material, which fits particularly well with the characteristics of fluidized bed combustion technology.
A vizsgálatok megmutatták azt is, hogy a légszennyezés legfontosabb komponensei (S, N) elsődlegesen milyen vegyületek formájában távoznak az anyagból. Ezek közül fontos, hogy nitrogén (gyakorlatilag) csak ammóniaként szabadul fel, amely pedig a fluidizációs tüzelés körülményei között gyakorlatilag csak Nj-né és vízzé alakul át.The studies also showed the primary forms of the most important components of air pollution (S, N) that are released from the material. Of these, it is important that nitrogen is (practically) released only as ammonia, which, under fluidized bed combustion conditions, is practically converted only into N and water.
A továbbiakban a találmány szerinti eljárás alapján egy fluidizációs kísérleti berendezésben végzett konkrét tüzelési folyamatot mutatunk be.In the following, we present a specific firing process carried out in a fluidization pilot plant based on the method according to the invention.
A tüzelőanyag előkészítése a kísérlethez:Preparing the fuel for the experiment:
A fermentálási maradékból kb. 150 kg-ot a szennyvíztisztítóban zsákokba lapátoltuk majd személygépkocsi csomagtartójában szállítottuk a kísérleti berendezésnek is helyet adó csarnokba. A kísérleti berendezés korlátái miatt (kötelező ciklon hűtés, kis adagolási kapacitás) vált szükségessé az anyag nagymértékű szárítása. Ezt egy olyan helységben végeztük, ahol átlagosan 28 °C léghőmérséklet uralkodott megfelelő légmozgás mellett. Itt adott esetben egyszerre 10 kg tüzelőanyagot terítettünk ki. Az eredményes szárítást ezekben a mennyiségi egységekben 5-7 nap alatt lehetett elérni, amikor nedvességtartalma a kiindulási 70,7%-ról 27,9%-ra csökkent. A szárításnak ez a módja mellesleg felveti valós berendezés esetében is az alacsony hőmérsékletű víztelenítést pl. szoláris megoldásban, amelynek energetikai hatását és határait a 3.-4. ábrák mutatják be.Approximately 150 kg of the fermentation residue was shoveled into bags in the wastewater treatment plant and transported in the trunk of a car to the hall that also housed the experimental equipment. Due to the limitations of the experimental equipment (mandatory cyclone cooling, small dosing capacity), extensive drying of the material became necessary. This was carried out in a room where an average air temperature of 28 °C prevailed with adequate air movement. Here, 10 kg of fuel was spread out at a time. Successful drying in these quantitative units could be achieved in 5-7 days, when its moisture content decreased from the initial 70.7% to 27.9%. Incidentally, this method of drying also raises the possibility of low-temperature dehydration in real equipment, e.g. in a solar solution, the energetic impact and limits of which are shown in Figures 3-4.
A szárítás folyamán a fermentálási maradék nemcsak jelentős tömegcsökkenésen ment át, hanem meglehetősen nagy, akár 4-8 cm-t is meghaladó átmérőjű rögökké állt össze. Az adagoló méretei, de a jó égetés érdekében is a kiszárított fermentálási maradék őrlésére volt szükség, amely művelet eredményeként a tüztérbe adagolható, porszerű anyag jött létre. Ezen tüzelőanyag szemcsézete meglehetősen durva volt, hiszen az anyag legnagyobb része 4 mm feletti.During the drying process, the fermentation residue not only underwent a significant weight loss, but also formed into rather large lumps, with a diameter exceeding 4-8 cm. Due to the dimensions of the feeder, but also for the sake of good combustion, it was necessary to grind the dried fermentation residue, which resulted in a powdery material that could be fed into the furnace. The grain size of this fuel was quite coarse, since most of the material was over 4 mm.
Égési viszonyokCombustion conditions
A tüztérben és a berendezés egyéb pontjain fennálló viszonyokat is érdemes vizsgálat alá vonni, hiszen minden eredmény, a füstgáz- és a keletkező hamu összetétele is a belső folyamatok eredményeként alakul ki.It is also worth examining the conditions in the furnace and other parts of the equipment, since all results, including the composition of the flue gas and the resulting ash, are the result of internal processes.
A 8. ábrán a fermentálási maradék tüzelése során (valamint az azt közvetlenül megelőző időszakban) kialakult legfontosabb hőmérsékletek időbeli alakulása látható. A ciklon kényszerű hűtése és az adagoló szűk kapacitása miatt a fluidizációs tüzelésre tipikusnak tekintett 850 °C-os tüztérhőmérsékletet nem sikerült elérni, a kísérlet során ez a hőmérséklet 650 °C körül alakult.Figure 8 shows the time evolution of the most important temperatures during the fermentation residue firing (and in the period immediately preceding it). Due to the forced cooling of the cyclone and the narrow capacity of the feeder, the furnace temperature of 850 °C, which is considered typical for fluidization firing, could not be achieved; during the experiment, this temperature was around 650 °C.
A 8. ábrán fermentálási maradék fluidizációs tüzelésű kazánban történő első kísérleti égetése folyamán mért legfontosabb jellemző hőmérsékletek láthatók. Az ábra a tüztérben uralkodó viszonyokat mutatja. A mérési pontok technológiai elhelyezése a 1. ábra szerinti berendezés megfelelő helyén történik. A felfűtési fázis után, To+22’-ben tértünk át a fermentálás! maradék adagolására; a feltüntetett időpontok a pemyeminták vételének időpontjai.Figure 8 shows the most important characteristic temperatures measured during the first experimental combustion of fermentation residue in a fluidized bed boiler. The figure shows the conditions prevailing in the combustion chamber. The technological placement of the measurement points is done at the appropriate location of the equipment according to Figure 1. After the heating phase, at To+22’, we switched to the addition of fermentation residue; the indicated times are the times of taking the wort samples.
A tűztér Pl- és P2 jelű mérési pontjainak nyomáskülönbségét ábrázoló diagram a 9. ábrán látható, amely nyomáskülönbség a tűztér alsó részében, azaz (körülbelül) a sűrű fázisban elhelyezkedő portömegre, ennek koncentrációjára jellemző.The diagram depicting the pressure difference between the measuring points Pl and P2 of the firebox is shown in Figure 9. This pressure difference is characteristic of the dust mass and its concentration in the lower part of the firebox, i.e. (approximately) in the dense phase.
A diagramon látható a teljes megelőző mérési szakaszra is érvényes, olykor töréseket tartalmazó, de mindig fennálló növekvő tendencia, amit az ágyanyag mennyiségének állandó növekedte okoz a szilárd tüzelőanyag jelentős hamutartalmának folyamatos felhalmozódása miatt.The diagram shows an increasing trend, sometimes with breaks, but always present, valid for the entire previous measurement period, which is caused by the constant increase in the amount of bed material due to the continuous accumulation of the significant ash content of the solid fuel.
A következő diagramok (10. ábra) a fluidizáció mértékét, az égés kitelj edését, és a tüztérben levő por (előbb említett) megoszlását is jelentősen befolyásoló gázáramokat, és az azok beállítására hivatott szelepek pozíciójának időfiiggvényét mutatják. Az összlevegő(yLev) és a primerlevegő (yPrim) szelepek kézi beavatkozásra mozgathatók (számítógépen kiadott kezelői beavatkozással), a füstgáz szelep (yFG) viszont a tűztémyomás automata szabályozásának beavatkozó szerve.The following diagrams (Figure 10) show the gas flows that significantly influence the degree of fluidization, the completeness of combustion, and the distribution of dust in the furnace (mentioned earlier), and the time function of the position of the valves used to adjust them. The total air (yLev) and primary air (yPrim) valves can be moved manually (by operator intervention issued on the computer), while the flue gas valve (yFG) is the intervention organ for the automatic control of the fire pressure.
A kísérlet során keletkezett hamu elemzése:Analysis of the ash produced during the experiment:
A fluidizációs tüzelési kísérlet egyes szakaszaira jellemző időszakok végén pemyemintákat vettünk. A fermentálás! maradék hamujának említett jelentős vas(III)-oxid-tartalma jól látható volt a minták barnás színén.At the end of the periods characteristic of each phase of the fluidization firing experiment, we took samples of the ash. The significant iron(III) oxide content of the residual ash from the fermentation was clearly visible in the brownish color of the samples.
A kivett pemyemintákat laboratóriumi elemzéssel kétféle módon vizsgáltuk, izzítási veszteségre- és karbonát-széndioxid elemzéssel (Adatok: Takács, 2004 b), valamint szitálással. A fermentálási maradék kísérleti tüzeléséből származó hamuk néhány szénkémiai jellemzőjét all. ábrán foglaltuk össze. (Minden adat az eredeti minta tömegszázalékában.)The extracted slag samples were examined in two laboratory analyses, by loss on ignition and carbonate carbon dioxide analysis (Data: Takács, 2004 b), and by sieving. Some of the carbon chemical characteristics of the ashes from the experimental combustion of the fermentation residue are summarized in the figure below. (All data are in mass percentage of the original sample.)
A hamuelemzésből világosan látszik, hogy a kísérletben a fermentálási maradék gyakorlatilag tökéletesen kiégett. Mindhárom hamuminta nedvességtartalma elenyésző, izzítással eltávolítható anyagmennyisége pedig gyakorlatilag csak karbonát-széndioxidot tartalmaz. Ez azt jelenti, hogy - az egyébként kedvezőtlen körülmények között, 650 °C-os tűztérhőmérséklet mellett- végzett fluidizációs tüzelési kísérlet során keletkezett hamu (gyakorlatilag) sem szerves maradványt, sem éghető veszteséget nem tartalmaz.The ash analysis clearly shows that the fermentation residue in the experiment was practically completely burned out. The moisture content of all three ash samples is negligible, and the amount of material that can be removed by heating contains practically only carbonate carbon dioxide. This means that the ash produced during the fluidization firing experiment, carried out under otherwise unfavorable conditions, at a furnace temperature of 650 °C, contains (practically) neither organic residues nor combustible losses.
A hamuk szemcseméret eloszlási képe megerősíti a tökéletes kiégésre vonatkozó előző megállapítást, hiszen a fermentálási maradék hamujában nyoma sincs a tűztérbe adagoláskor jellemző durva szemcsézetnek. Ezt kiegészítve le kell jegyezni, hogy az égetés során teljesen eltűnt e tüzelőanyag jellegzetes, szúrós szaga, valamint boltozódásra hajlamos állaga.The particle size distribution of the ashes confirms the previous statement regarding perfect combustion, as there is no trace of the coarse graininess characteristic of the ash from the fermentation residue when added to the firebox. In addition, it should be noted that the characteristic, pungent odor of this fuel and its tendency to curdle completely disappeared during combustion.
A fluidizációs tüzelési technológia egyik előnye az, hogy a keletkező hamu (éppen a tüztérben lejátszódó kénmegkötési folyamat eredményeként) az építőiparban cementgyártási alapanyagként felhasználható. Ezt azonban olykor csak bizonyos felhasználási területekre (pl. közmű alagutak, bányafalak építésére) korlátozza a hamu kimutatható radioaktivitása, ami nyilvánvalóan a kiindulásként használt szénből ered. A fermentálási maradék hamuját megmérve azonban azt tapasztaltuk, hogy az semmiféle radioaktivitást nem mutat, vagyis ez a hamu korlátozás nélkül felhasználható az építőiparban — akár lakóépületekhez is.One of the advantages of fluidized bed combustion technology is that the resulting ash (as a result of the sulfur fixation process taking place in the furnace) can be used as a raw material for cement production in the construction industry. However, this is sometimes limited to certain areas of use (e.g., the construction of utility tunnels, mine walls) by the detectable radioactivity of the ash, which obviously originates from the coal used as the starting material. However, when measuring the ash of the fermentation residue, we found that it does not show any radioactivity, meaning that this ash can be used without restrictions in the construction industry — even for residential buildings.
Az égetési kísérletből levont következtetések:Conclusions drawn from the combustion experiment:
Sikerült elvégezni (tudtunkkal elsőként) egy modem szennyvíztisztítóból származó fermentálás! maradék kísérleti égetését egy félüzemi fluidizációs tüzelésű berendezésben. Ehhez azonban módosításokra is szükség volt a berendezésen, amelyek közül a legfontosabbat, a stabil égetés szempontjából szükségest elvégeztük, több más (kevésbé fontosra) azonban e munka keretei nem adtak lehetőséget. Ehhez alkalmazkodva a kísérletek során több úton is növeltük a hőbevitelt·, villamos fűtéssel, gázégő folyamatos használatával és a tüzelő anyag előzetes szárításával. Mindezek mellett 650 °C tűztérhőmérséklet mellett tudtunk viszonylag stabil üzemet elemi. Ez a kísérleti berendezés műszaki korlátáiból adódott.We succeeded (to our knowledge, for the first time) in experimental combustion of fermentation residue from a modern wastewater treatment plant in a semi-industrial fluidized-bed combustion plant. However, this required modifications to the plant, the most important of which, necessary for stable combustion, was carried out, but several other (less important) modifications were not possible within the framework of this work. Adapting to this, we increased the heat input in several ways during the experiments, with electric heating, continuous use of a gas burner and preliminary drying of the fuel. In addition to all this, we were able to achieve relatively stable operation at a combustion chamber temperature of 650 °C. This was due to the technical limitations of the experimental plant.
E kedvezőtlen állapot ellenére nagyon jó (alacsony) SO2- és elégetlen szerves anyag koncentráció volt kimutatható a füstgázban. A mért CO- és az NOx-kibocsátás viszont nagyon magas volt, ami az ipari körülményektől való kényszerű eltérés alapján teljesen érthető. Ennek kísérleti kiküszöbölésére, valamint a kedvező eredmények megerősítésére a jelzett módosítások elvégzése, és további kísérletek szükségesek.Despite this unfavorable condition, very good (low) SO2 and unburned organic matter concentrations were detected in the flue gas. However, the measured CO and NO x emissions were very high, which is completely understandable based on the forced deviation from industrial conditions. To experimentally eliminate this and to confirm the favorable results, the indicated modifications and further experiments are necessary.
A kísérlet során a fermentálás! maradékból keletkezett hamu (gyakorlatilag) tökéletesen kiégett, kellemetlen tulajdonságokat, radioaktivitást egyáltalán nem mutat, ezért a cementgyártásban jól felhasználható.During the experiment, the ash generated from the fermentation residue was (practically) perfectly burned, showed no unpleasant properties or radioactivity at all, and therefore can be used in cement production.
A találmány szerinti eljárás anyagvizsgálata, valamint kísérleti üzeme során szerzett tapasztalatok összefoglalása, eredményei:Summary and results of the experiences gained during the material testing and pilot operation of the method according to the invention:
- A kutatási munka keretében sok szempontból, alaposan megvizsgált fermentálás! maradék tipikusnak tekinthető, nagy és egyre növekvő mennyiségben keletkezik, mert olyan szennyvíztisztítóból származik, amely technológiája modem, és e technológia további elterjedése már látható.- In the framework of the research work, the fermentation residue, which has been thoroughly examined in many aspects, can be considered typical, it is produced in large and increasing quantities, because it comes from a wastewater treatment plant whose technology is modern, and the further spread of this technology is already visible.
- Ez a fermentálási maradék veszélyes hulladéknak nem minősül ugyan, de szaghatása, szerves anyag tartalma és visszataszító makroszkopikus megjelenése miatt mezőgazdasági felhasználása és deponálása is egyre költségesebb, sőt már-már megoldhatatlan.- This fermentation residue is not classified as hazardous waste, but due to its odor, organic matter content, and repulsive macroscopic appearance, its agricultural use and disposal are increasingly costly and even almost insurmountable.
- Ez az anyag már kommercionális víztelenítési technológia (pl. préselés) alkalmazása esetén is önállóan égethető.- This material can be burned independently even when commercial dewatering technology (e.g. pressing) is used.
- A préselés után megmaradó, kb. 60%-os nedvességtartalma miatt energetikai hasznosítása kondenzációs kazánban javasolt. Ebben az esetben hasznosítható fajlagos hőtartalma 4,47 MJ/kg.- Due to the approximately 60% moisture content remaining after pressing, its energetic utilization in a condensing boiler is recommended. In this case, its usable specific heat content is 4.47 MJ/kg.
- A tüzelőanyag kifejezetten jól illeszkedik a fluidizációs tüzelési technológiához, mert- The fuel is particularly well suited to fluidization combustion technology because
- alacsony hőmérsékleten gyullad, és könnyen ég;- ignites at low temperatures and burns easily;
- jól kihasználja a fluidizációs tüzelési technológia integrált kénmegkötési tulajdonságát, mert saját bázikusanyag-tartalma biztosítja közepes mértékű kéntartalmának a megkötését, vagyis e tüzelési mód kénmegkötési funkciója érvényesül - anélkül, hogy mészkő adagolásról külön gondoskodni kellene;- it makes good use of the integrated sulfur fixation property of the fluidization firing technology, because its own basic sulfur content ensures the fixation of its moderate sulfur content, i.e. the sulfur fixation function of this firing method is implemented - without the need to separately provide for limestone dosing;
- a keletkező hamu (cement alapanyagként) az építőiparban jól hasznosítható akár lakóépületekhez is, mert radioaktivitást egyáltalán nem mutat.- the resulting ash (as a raw material for cement) can be used in the construction industry, even for residential buildings, because it does not show any radioactivity at all.
- A vizsgált fermentálási maradék (nagy felületi nedvessége miatt) boltozódásra nagyon hajlamos, ami hombár aljából történő adagolás szempontjából nagyon kedvezőtlen. Ezért az általunk javasolt adagolóban a hombárba építendő keverő szerkezetet célszerű beépíteni.Fluidizációs tüzelésű kondenzációs kazánban történő energetikai hasznosítás esetén a füstgáz kilépés hőátadó felületeit alacsonyabb korrózióálló tulajdonsággal rendelkező (azaz olcsóbb) anyagból lehet elkészíteni a füstgáz minimális SO2-tartalma miatt.- The fermentation residue tested (due to its high surface moisture) is very prone to arching, which is very unfavorable for dosing from the bottom of the hopper. Therefore, it is advisable to install a mixing structure to be built into the hopper in the feeder we recommend. In the case of energy utilization in a fluidized-fired condensing boiler, the heat transfer surfaces of the flue gas outlet can be made of a material with lower corrosion resistance (i.e. cheaper) due to the minimal SO2 content of the flue gas.
- Néhány mért eredmény (pl. a meglepően alacsony SO2-kibocsátás) megerősítéséhez, valamint optimális beállítások és méretezési adatok meghatározásához további kísérletekre van szükség.- Further experiments are needed to confirm some measured results (e.g. the surprisingly low SO2 emissions) and to determine optimal settings and sizing data.
A találmány szerinti megoldás előnyei:Advantages of the solution according to the invention:
- Alkalmazásával megoldódik a fermentálás melléktermékeként előálló szilárd anyag káros összetevőinek ártalmatlanítása a leginkább hatékony, termikus úton.- Its application allows the disposal of harmful components of solid matter produced as a by-product of fermentation in the most efficient, thermal way.
- Megújuló tüzelőanyagként hasznosul a fermentálási maradék.- The fermentation residue is used as a renewable fuel.
- A kéntartalom külön adalékanyagok és kiegészítő berendezések alkalmazása nélkül, a technológiába integrált módon és a fermentálási maradékban meglévő kalcium felhasználásával már a tűztérben megkötődik.- The sulfur content is bound in the furnace without the use of separate additives and additional equipment, in an integrated manner in the technology and by utilizing the calcium present in the fermentation residue.
- Az alkalmazott, viszonylag alacsony hőmérséklet miatt a káros nitrogénoxid-kibocsátás elhanyagolható mértékű.- Due to the relatively low temperatures used, harmful nitrogen oxide emissions are negligible.
- A kondenzációs kazántípus kiemelkedően hatékony módon fejleszt energiát még viszonylag kisebb mértékű víztelenítés mellett is.- The condensing boiler type generates energy in an extremely efficient manner, even with relatively low levels of dehydration.
- A keletkező hamu radioaktív izotópokat nem tartalmaz, ezért az építőiparban korlátozás nélkül felhasználható.- The resulting ash does not contain radioactive isotopes, therefore it can be used without restrictions in the construction industry.
A találmány szerinti eljárás során fluidizációs tüzelésű kazánt alkalmazunk, mert ennek a kazántípusnak kiemelkedő tulajdonságai közé tartozik a tüzelőanyag tekintetében mutatkozó flexibilitása, valamint a kifejezetten környezetbarát energiatermelés lehetősége. Tipikusan nem gőztermelö-, hanem forróvíz kazánt javaslunk beépíteni, amit a viszonylag kis méret indokol.In the process according to the invention, a fluidized bed boiler is used, because the outstanding properties of this boiler type include its flexibility in terms of fuel and the possibility of producing energy in a particularly environmentally friendly manner. Typically, we recommend installing a hot water boiler rather than a steam boiler, which is justified by its relatively small size.
Az eljárással biztosítható ártalmatlanítási folyamat jobb, hatékonyabb, gazdaságosabb, mint más eljárások, és ezzel együtt szélesebb körben alkalmazható. Energiatakarékos, mert fenntartása nem igényel külön égetést, külső energiaforrást, sőt energiatermelésre használható. Környezetvédelmi szempontból is nagyon előnyös, mert a fermentációs melléktermékben meglevő, egyébként környezetet terhelő anyagokat gyakorlatilag teljes mértékben ártalmatlanítja.The disposal process provided by the process is better, more efficient, more economical than other processes, and can therefore be applied more widely. It is energy-saving because its maintenance does not require separate combustion, external energy sources, and can even be used for energy production. It is also very beneficial from an environmental perspective because it practically completely eliminates the substances in the fermentation by-product that otherwise pollute the environment.
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| HU0401455A HUP0401455A2 (en) | 2004-07-19 | 2004-07-19 | Method for solid wastes elimination and reutilization from fermentation process |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| HU0401455A HUP0401455A2 (en) | 2004-07-19 | 2004-07-19 | Method for solid wastes elimination and reutilization from fermentation process |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| HU0401455D0 HU0401455D0 (en) | 2004-10-28 |
| HUP0401455A2 true HUP0401455A2 (en) | 2007-12-28 |
Family
ID=89985385
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| HU0401455A HUP0401455A2 (en) | 2004-07-19 | 2004-07-19 | Method for solid wastes elimination and reutilization from fermentation process |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| HU (1) | HUP0401455A2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2010143003A1 (en) | 2009-06-09 | 2010-12-16 | Palhazy Istvan | Equipment and process for the continuous production of fuel from sewage sludge |
-
2004
- 2004-07-19 HU HU0401455A patent/HUP0401455A2/en unknown
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2010143003A1 (en) | 2009-06-09 | 2010-12-16 | Palhazy Istvan | Equipment and process for the continuous production of fuel from sewage sludge |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| HU0401455D0 (en) | 2004-10-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| AU2007243632B2 (en) | Method and plant for processing waste | |
| Fytili et al. | Utilization of sewage sludge in EU application of old and new methods—A review | |
| Stasta et al. | Thermal processing of sewage sludge | |
| Zieri et al. | Alternative fuels from waste products in cement industry | |
| US20050066860A1 (en) | Use of organic waste/mineral by-product mixtures in cement manufacturing processes | |
| US6883444B2 (en) | Processes and systems for using biomineral by-products as a fuel and for NOx removal at coal burning power plants | |
| US6405664B1 (en) | Processes and systems for using biomineral by-products as a fuel and for NOx removal at coal burning power plants | |
| US9657989B2 (en) | Systems and methods for processing municipal wastewater treatment sewage sludge | |
| JPS5911545B2 (en) | Portland cement production and waste utilization | |
| CA2570278C (en) | Method and apparatus for drying wet bio-solids using excess heat recovered from cement manufacturing process equipment | |
| CN203683345U (en) | System for drying domestic sludge by using afterheat of dry process cement kiln and carrying out direct blending combustion treatment | |
| GB2423079A (en) | Combined gasification and plasma treatment of waste | |
| Onaka | Sewage can make Portland cement: a new technology for ultimate reuse of sewage sludge | |
| KR20230038751A (en) | Process and processing equipment for physical and thermochemical treatment of biomass | |
| CN1270988C (en) | Sludge burning treatment method and system | |
| US4466361A (en) | Method and apparatus for waste incineration | |
| CN100504169C (en) | A wet sludge incineration treatment method and incineration treatment device | |
| CN106322387B (en) | A method of garbage disposal | |
| US7037368B2 (en) | Mid-kiln injection of waste-derived materials | |
| CN106871125A (en) | A kind of incinerator sludge directly mixes co-combustion method and system | |
| US11965651B2 (en) | Process for producing biomass by treatment of organic waste with two-step drying | |
| JPS6089614A (en) | Method and device for removing noxious waste generating little calorific value, particularly, dust without injurious material by combustion | |
| US20060191444A1 (en) | Method of producing portland cement | |
| CN101881457A (en) | Self-balanced sludge incineration method and system | |
| Ungureanu et al. | Considerations on the incineration of municipal solid waste |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FH92 | Termination of representative |
Representative=s name: VARGA TAMAS PETER SZABADALMI UEGYVIVOE, HU |
|
| FD9A | Lapse of provisional protection due to non-payment of fees |