CC BY
154
© Е.Е. Костътева, А.Н. Замалиев, И.Р. Тазеев УДК 628.35
ТЕРМИЧЕСКАЯ СУШКА, КАК СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА СЖИГАНИЯ ИЛОВОГО ОСАДКА
Е.Е. Костылева, А.Н. Замалиев, И.Р. Тазеев
Казанский государственный энергетический университет, Казань, Россия
adelzamaliev@list. ru
Резюме: Канализационные осадки и стоки являются одними из основных загрязнителей окружающей среды в обширных зонах, охватывающих, прежде всего, городскую среду и социальную сферу. Одна из главных задач при обращении с ними - оградить население от их вредного воздействия за счет строительства очистных сооружений и других природоохранных мероприятий. Практической стороне этого вопроса уделяется достаточное внимание предприятиями коммунального хозяйства как нашей страны, так и за рубежом. Гораздо меньшее место в отечественных практике и научно- технической литературе занимают проблемы утилизации этих продуктов, получающие позитивное развитие в более экономически благополучных странах. Наиболее распространенным в практике переработки осадков является процесс сжигания. Этот процесс используется в том случае, если полезные свойства осадков невозможно или экономически нецелесообразно использовать. При сжигании осадков большинство их используется как топливо. В данной статье рассматривается процесс утилизации иловых осадков сточных вод путем сжигания в печи с псевдоожиженным слоем и применением барабанной сушилки. Представлена и описана существующая и предлагаемая технологические схемы процесса сжигания. Описаны цели применения данного комплекса.
Ключевые слова: иловый осадок, утилизация путем сжигания, псевдоожиженный слой, инсинератор, термическая сушилка.
THERMAL DRYING AS A METHOD TO REDUCE THE EFFICIENCY OF SEWAGE
SLUDGE TREATMENT PLANT
E.E. Kostyleva, A.N. Zamaliev, I.R. Tazeyev
Kazan state power engineering university, Kazan, Russia
adelzamaliev@list. ru
Abstract: Sewer rainfall and drains are one of the main pollutants of the environment in extensive zones, covering the urban environment and the social sphere first of all. One of the main tasks at the treatment of them is to protect the population from their harmful effects due to construction of treatment facilities and other nature protection actions. The sufficient attention in the theory and practice of municipal services is paid to it in our country and abroad. Much smaller place is occupied by the problems of utilization of these materials gaining positive development in more economically safe countries in domestic practice and scientific technical literature. The most widespread process of rainfall utilisation is burning process. This process is used in case, when useful properties of rainfall are impossible or economically inexpedient to be used. During the burning of rainfall the vast majority of them is used as fuel. In this article the process of utilization of silt rainfall of sewage by burning in the furnace with a fluidized layer and use of the drum dryer is considered. It is presented and described the existing and offered technological schemes of process of burning. The purposes of application of this complex are described.
Keywords: Sewage sludge, recycling, incinerator, thermal drying.
Осадки городских сточных вод являются потенциальным источником загрязнения объектов окружающей среды, в том числе поверхностных вод, питьевой воды и почвы. При попадании не обезвреженного илового осадка в окружающую среду возникает эпидемиологическая опасность для населения за счет распространения возбудителей инфекций с фекально-оральным механизмом передачи.
Распределение иловых осадков по направлениям их утилизации в различных странах варьируется. В США 36% всех отходов утилизируются путем переработки в удобрения, 16% - сжигается, 10% - вывозится на иловые поля, 38% - утилизируется в аэротенках. Ситуация в Западной Европе складывается следующим образом: 33% - преобразуют в удобрения (с перспективой к повышению), 15-20% - депонируют на иловых площадках (с дальнейшим сокращением доли в связи с рядом экологических законов), 4-11% - сжигается (с перспективой на дальнейшее развитие), до 10% - используется в рекультивации ландшафтов, 1-3% - компостируется.
В России, по различным оценкам, ежегодно образуется до 2 млрд м3 осадков с влажностью 95-98%, или порядка 80-100 млн м3 по сухому веществу. Уровень их использования оценивается всего в 1,0-1,5% [1]. В связи с этим существует необходимость по внедрению новых методов в переработке илового осадка.
Основным направлением развития утилизации илового осадка является его сжигание. Для сжигания осадков канализационных (городских) сточных вод применяют главным образом печи с кипящим слоем, а также многоподовые и циклонные. Такие заводы не только сжигают токсичный иловый осадок, но и выделяют тепловую энергию, которой покрывают затраты на процесс утилизации, а избыток может быть расходован по желанию заказчика. В России на данный момент функционирует три завода по сжиганию осадков в печах с псевдоожиженным слоем в городе Санкт-Петербург [2].
На сегодняшний день, одним из часто обсуждаемых является вопрос эффективной утилизации избыточного активного ила с влажностью не более 80%. После процесса механической и биохимической очистки осадки имеют влажность 95,0-96,6%. Из них одну половину составляют осадки первичных отстойников, а вторую - избыточный ил. Элементный состав осадков первичных отстойников: углерод - 36-87%; водород - 4,6-8,6%; сера - 0,1-2,6%; азот - 1,7-7,9%; кислород - 7,5-35,5%. Сухое вещество активного ила: углерод - 45-77%; водород - 4-7%; сера - 0,8-2,6%; азот - 3,4-9,7%; кислород - 12,4-43,3%.
Для решения вопроса утилизации илового осадка были рассмотрены различные методы, которые применяются на современных утилизационных заводах. В табл. 1 приведена сравнительная информация для четырех самых широко распространенных методик сжигания илового остатка. Из нее видно, что печь с псевдоожиженным слоем имеет самый гибкий график работы, что является одним из ключевых факторов при работе с иловыми осадками.
Таблица 1
Сравнение печей для сжигания осадков сточных вод_
Печь с псевдоожиженным слоем Многоподовая печь Многоповодая печь с псевдоожиженным слоем Циклонная печь
Основные достоинства технологии Отсутствие механических подвижных частей и малый износ Отсутствие необходимости в установке отдельной Отсутствие необходимости в установке отдельной Отсутствие механических подвижных частей и малый износ
Продолжение таблицы 1
предварительной предварительной Отсутствие
сушилки сушилки псевдоожиженног
Охлаждение Подвижный о слоя
полого вала полый вал Малый объем псевдоожиженног о слоя
Эксплуатаци Быстрый запуск и Длительное время Среднее время Сравнимо с
онные выключение за счет нагрева и нагрева и псевдоожиженны
аспекты короткого времени необходимость охлаждения м слоем
нагрева и охлаждения, непрерывной Применение для
так же имеется работы широкого
возможность диапазона
прерывания операций отходов
Возможные Де-псевдоожижение Возможные Поддержание
эксплуатацио Агломерация выбросы рабочих
нные органических температур
проблемы частей из печи
Основные Низкий коэффициент Сложность Низкий Переменная
достоинства избытка воздуха контроля коэффициент подача
процесса Полное сжигание процесса избытка воздуха первичного и
сжигания происходит только над сжигания Возможность вторичного
«кипящем» слоем Устойчивость к контроля воздуха на
колебаниям процесса нескольких
нагрузок сжигания Сжигание происходит непосредственно в «кипящем» слое уровнях Короткое время пребывания в печи Отделение твердых материалов
Содержание Высокое Низкое Высокое Высокое
золы в
дымовых
газах
Удаление Из дымовых газов Непосредственно Из дымовых газов Из дымовых газов
золы Замена из печи Замена Неочищенная
псевдоожиженного псевдоожиженног зола оседает на
слоя о слоя дно печи
Отходы Зола Зола Зола Зола
Псевдоожиженный Псевдоожиженны Возможно
слой й слой необработанная зола
На рис.1 показан график распределения объема сточных вод на канализационных очистных сооружениях. График был построен на основе данных по потреблению воды и количеству образуемых сточных вод для г.Казани. Данные взяты из общедоступных источников и сравнены со СНиП 2.04.03-85 «Канализация. Наружные сети и сооружения».
7
гм m 1Л Ю 00 (Г1 о •н гм m 1Л ю 7 00 Ol о •н (N
гЧ (N m 4 1Л üb 00 •н гм гм (N
d о гЧ (N m 4 1Л üb оо ai о т-Н
•н ГМ (N
Время, ч
Рис. 1. График распределения сточных вод
Как видно из рис.1, график распределения объема сточных вод крайне неравномерный, это обусловлено ритмом жизни жителей города. Исходя из этого, предлагается технология сжигания в инсинераторе, который способен справиться с гибким графиком нагрузки. Осадок после очистных сооружений подается напрямую на завод утилизации, минуя иловые площадки. Тем самым отпадает их необходимость. Если же рассматривать другие варианты, то потребуется дополнительный объем илового осадка вне промежутков времени с максимальной нагрузкой. Это может быть реализовано благодаря совместному сжиганию с уже высушенным иловым осадком с иловых полей. Но возникает проблема в дроблении этого осадка, для этих целей необходима закупка специальной линии производства, что приведет к дополнительным расходам. Также дополнительно потребуется провести исследования по оптимальному соотношению свежего илового осадка сточных вод с уже высушенным, при условии поддержания автотермичности процесса.
На сегодняшний день на рынке печей с псевдоожиженным слоем для сжигания илового осадка, а также бытовых, промышленных и медицинских отходов в Европе существуют два лидера, это итальянская фирма VOMMImpianti e Processi и финская Outotec. Их технологии широко применяются на территории Европы и Азии, также технологические решения этих фирм нашли применение в России. Основным недостатком, в сложившейся экономической ситуации, является полный импорт установок. В остальном же, схемы установок различных производителей схожи, отличаясь лишь выбором типа сушилок, габаритными размерами печей, способами загрузки в нее осадка, принятой системы очистки дымовых газов.
Принципиальная схема существующего завода утилизации вторичных энергоресурсов показана на рис. 2.
Обезвоженный осадок подается в накопительный бункер осадкосжигательного завода после механического обезвоживания на канализационных очистных сооружениях. Из бункера осадок попадает, в свою очередь, в печь, где сжигается при температуре 750-800°C. Дымовые газы из печи сжигания в псевдоожиженном слое поступают по вентиляционному каналу с огнеупорной футеровкой во входное отверстие котла-утилизатора. В котле-утилизаторе дымовые газы охлаждаются до температуры, при которой они могут быть подвергнуты дальнейшей очистке. Сбросное тепло дымовых газов используется для производства перегретого пара температурой 450°C, который в дальнейшем используется в турбогенераторе для производства электроэнергии.
76
Температура дымовых газов на выходе из котла-утилизатора составляет 185-210 °С, что обеспечивает максимальную утилизацию тепла [3].
Рис. 2. Завод утилизации иловых осадков
Процесс сжигания организован таким образом, что требуется подвод дополнительного топлива. Этим топливом может выступать мазут или газ. Что делает сам процесс утилизации энергозатратным. Кроме того, осадки сточных вод содержат чрезвычайно большое количество азота, по сравнению с другими материалами, такими как уголь или биомасса, а также большие количества оксидов азота (N0^ и оксида азота (N0), которые вырабатываются в процессе сжигания. В целом, в то время как концентрация N0x увеличивается с увеличением температуры горения, концентрация ^0 уменьшается [4]. В частности, потенциал глобального потепления ^0, в 310 раз выше, чем у СО2 и выбросы таких газов сегодня являются остро стоящей проблемой. В настоящее время, парниковые газы (в эквиваленте СО2) выделяемые иловыми полями преобладают над выбросами в процессе сжигания ила на одну четверть. Одним из методов по снижению выбросов N0 является увеличение температуры сжигания илового осадка непосредственно в зоне горения. Таким образом, выбросы N0 могут быть сокращены примерно на 60% за счет сжигания при высоких температурах порядка 850°С [5].
Исходя из вышеуказанных проблем, предлагается установка блока термической сушки непосредственно перед печью с псевдоожиженным слоем, который показан на рис. 3.
Рис. 3. Предлагаемый вариант завода утилизации иловых осадков
Отличие предлагаемого технического решения завода утилизации иловых осадков, представленного на рис.3, заключается в предварительной сушке иловых осадков в барабанной сушилке типа БН [6]. Образующиеся дымовые газы после топки подаются в
77
сушилку. Отходящие из сушилки газы должны иметь температуру 225-250°С [7]. Уменьшение температуры газов приводит к недопустимой конденсации влаги в сухом пылеуловителе. Что приводит к уменьшению фильтрующей способности, тем самым увеличивая затраты на эксплуатацию агрегата [8].
Низшая теплота сгорания для трех различных продуктов была рассчитана по формуле
бн=0,339[q+1,025[H]+0Д085[S] - 0,1085^] - 0,025^].
Исходя из расчетов, был построен график зависимости количества теплоты для сжигания вторичных энергоресурсов от их влажности, показанный на рис. 4.
Далее было определено количество продуктов сгорания и энтальпии продуктов сгорания, после чего был произведен тепловой расчет печи кипящего слоя. Отдельно проводился расчет сушильного аппарата. По результатам расчетов, и исходя из экономической выгоды, было принято решение о применении барабанной сушилки типа БМ и выбран размер печи с псевдоожиженным слоем.
Рис. 4 Зависимость количества теплоты (0 для сжигания вторичных энергоресурсов
от их влажности (Ш)
Из графика видно, что значения влажности, соответствующие нулевому значению количества теплоты, соответствуют началу автотермичности процесса, то есть сжиганию топлива без дополнительного подвода тепла [9]. Анализ графика показывает преимущества илового осадка перед ТБО и опилками. Сжигание в автотермическом режиме у илового осадка начинается уже с 55%, тогда как у других альтернативных источников топлива, этот показатель значительно выше. Различия по составу илового осадка из разных городов России не существенны и варьируются в пределах 3%, поэтому этот график применим на всей территории РФ [10].
Выводы
Применение предварительной термической сушки при утилизация осадка сточных вод с иловых полей путем сжигания их в псевдоожиженном слое позволяет произвести утилизацию илового осадка с минимальными экологическими и термическими выбросами. Кроме этого появляется возможность увеличить коэффициент использования тепловой энергии топлива с 80 до 86%. Появляется возможность альтернативного производства энергии в больших количествах, по сравнению с уже существующими заводами. Это позволит сэкономить невозобновляемые ресурсы, используемые для производства
электроэнергии, и тем самым уменьшить выбросы СО2. При использовании дымовых газов в качестве сушильного агента в барабанных сушилках количество осадка значительно снижается. А это приводит к уменьшению размеров печи кипящего слоя и уменьшению нагрузки на процесс фильтрации. Подводя итог, можно сделать вывод, что применение предварительной термической сушки при сжигании в псевдоожиженном слое дает ряд преимуществ по сравнению с другими технологиями утилизации илового осадка. А в связи с ежегодно ужесточающимися экологическими требованиями, данный метод является наиболее эффективным из существующих.
Литература
1.Лотош В.Е. Переработка отходов природопользования // Екатеринбург: Полиграфист, 2007.
503 с.
2.Лотош В.Е. Технологии основных производств в природопользовании, 4-е изд., доп. // Екатеринбург, 2007. 561 с.
3.Замалиев А.Н. Сжигание илового осадка в псевдоожиженном слое // «Научному прогрессу -творчество молодых»: материалы XI Международной молодежной научной конференции по естественнонаучным и техническим дисциплинам, Йошкар-Ола, 22-23 апреля 2016 года: в 4 ч. Йошкар-Ола: ПГТУ, 2016. Том 1. С. 178.
4.Кармазинов Ф.В., Пробирский М.Д. Технологический комплекс по обработке и утилизации осадков сточных вод на ЦСА Санкт-Петербурга // Водоснабжение и санитарная техника. 2001. №8. С. 2-7.
5.Замалиев А.Н. Способы утилизации илового осадка // Материалы докладов XI международной молодежной научной конференции «ТИНЧУРИНСКИЕ ЧТЕНИЯ», 23-25 марта 2016 г., Казань: в трех томах / Под общ. ред. Э.Ю. Абдуллазянова. Казань: Казанский гос. энергетический ун-т, 2016. Том 2. С. 35.
6.Гуляева И.С., Дьяков М.С., Глушанкова И.С. Термический способ обработки осадков городских сточных вод, содержащих тяжелые металлы // Водоснабжение и санитарная техника. 2015, №3. С.43-49.
7.Панкова Г.А., Петров С. В. Опыт эксплуатации заводов по сжиганию осадков сточных вод в ГУП "Водоканал Санкт-Петебурга" // Водоснабжение и санитарная техника. 2015. №7. С. 65-71.
8.Замалиев А.Н. Автотермический режим сжигания илового осадка в псевдоожиженном слое // Материалы докладов XII международной молодежной научной конференции «ТИНЧУРИНСКИЕ ЧТЕНИЯ», 26-28 апреля 2017 г., Казань: в трех томах / Под общ. ред. Э.Ю. Абдуллазянова. Казань: Казанский гос. энергетический ун-т, 2017. Том 2. С. 39.
9.Рублевская О.Н., Пробирский М.Д. Реконструкция завода сжигания осадков на центральной станции аэрации Санкт-Петербурга // Водоснабжение и санитарная техника. 2017. №1. С. 52-57.
10. Яковлев С.В., Карелин Я.А., Ласков Ю.М., Калицун В.И. Водоотведение и очистка сточных вод // М.: Стройиздат, 1996. 591с.
Авторы публикации
Костылева Елена Евгеньевна - канд.техн.наук, доцент кафедры Промышленная теплоэнергетика (ПТЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ).
Замалиев Адель Наилевич - магистрант Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ).
Тазеев Ильнур Ренатович - магистрант Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ).
References
1.Lotosh V.E. Pererabotka otxodov prirodopolzovaniya //Eekaterinburg: Poligrafist, 2007. 503 p.
2.Lotosh V.E. Texnologii osnovnyx proizvodstv v prirodopolzovanii, 3 izd. // Ekaterinburg, 2007.
561 p.
3.Zamaliev A.N. Szhiganie ilovogo osadka v psevdoozhizhennom sloe // «Nauchnomu progressu -tvorchestvo molodyh»: materialy dokladov XI Mezhdunarodnuyu molodezhnuyu nauchnuyu konferenciyu po estestvennonauchnym i tekhnicheskim disciplinam. Joshkar-Ola, 2016. Vol.1. Pp. 178.
4.Karmazinov F.V., Probirskij M.D. Texnologicheskij kompleks po obrabotke i utilizacii osadkov stochnyx vod na csa Sankt-Peterburga // Water supply and sanitary technique, 2001, №8. Pp. 2-7.
5.Zamaliev A.N. Sposoby utilizacii ilovogo osadka // Materialy dokladov XI mezhdunarodnoj molodezhnoj nauchnoj konferencii «Tinchurinskie chteniya», Kazan, 2016. Vol.2. P.p. 35.
6.Gulyaeva I.S., Dyakov M.S., Glushankova I.S. Termicheskij sposob obrabotki osadkov gorodskix stochnyx vod, soderzhashhix tyazhelye metally //Water supply and sanitary technique, 2015, №3. P.p. 43-49.
7.Pankova G.A., Petrov S.V. Opyt ekspluatacii zavodov po szhiganiyu osadkov stochnyx vod v GUP "Vodokanal Sankt-Peteburga" Water supply and sanitary technique, 2015, №7. Pp. 65-71.
8.Zamaliev A.N. Avtotermicheskij rezhim szhiganiya ilovogo osadka v psevdoozhizhennom sloe // Materialy dokladov XII mezhdunarodnoj molodezhnoj nauchnoj konferencii «Tinchurinskie chteniya», Kazan', 2017. Vol.2. Pp. 39.
9. Rublevskaya O.N., Probirskij M.D. Rekonstrukciya zavoda szhiganiya osadkov na centralnoj stancii aeracii Sankt-Peterburga metally // Water supply and sanitary technique, 2017, №1. Pp. 52-57.
10. Yakovlev S.V., Karelin Y.A., Laskov Y.M., Kalicun V.I. Vodootvedenie i ochistka stochnyx vod // Moscow : Strojzdat, 1996. 591 p.
Authors of the publication
Elena E. Kostyleva - cand. sci. (techn.), Assoc. Prof. Department "Industrial power system", Kazan State Power Engineering University.
Adel N. Zamaliev - graduate student, Department "Industrial power system", Kazan State Power Engineering University.
Ilnur R. Tazeyev - graduate student, Department "Industrial power system", Kazan State Power Engineering University.
Дата поступления 07.03.2018
