Autor
Karel Hartig
Klíčová slova
odvodněný kal – sušení kalu – produkce a spotřeba tepla – inertizace
Stabilizovaný kal z ČOV, který nelze z různých důvodů používat v zemědělství a k rekultivacím, je nezbytné odstraňovat jiným způsobem. Jako nejvhodnější se jeví termické destrukční metody s následným materiálovým využitím, a to včetně využití energetického potenciálu kalu. Prvním krokem tímto směrem je sušení odvodněného kalu. Využití vhodného zdroje tepla a zapojení sušárny do hospodaření s teplem na ČOV ovlivňuje nejen výši provozních nákladů, ale rovněž velikost a typ sušárny neboli výši investičních nákladů.
Úvod
V současnosti máme k dispozici v podstatě dvě hlavní možnosti, jak se zbavit kalů. První možností byla v minulém článku diskutovaná nějaká forma aplikace na půdu. Jedná se buď o rekultivace s výrobou kompostů, nebo přímou aplikaci hygienizovaných kalů na půdu v zemědělství. Ne každý kal z ČOV však vyhoví požadavkům kladeným na výše uvedené využití kalů. Důvodem může být nadprodukce kalů vzhledem k dostupným plochám pro uplatnění kalů v dané oblasti. Druhou možností je nesplnění kritérií složení kalu, která jsou vyžadována k zemědělskému využití. Toto jsou hlavní důvody pro použití termické metody zpracování a destrukce kalů. Mezi další důvody patří i skutečnost, že čistírenské kaly obsahují nejen živiny, ale také celou řadu škodlivin – těžké kovy, perzistentní organické škodliviny PCB, PCDD/F a další organické škodliviny, např. zbytky léků nebo přirozené a umělé hormony. Existují obavy, aby přes kal nevstupovala rezidua léků, antibiotik a v neposlední řadě i drog do potravinového řetězce. V těchto případech je úplná termická destrukce kalů vhodnou a opodstatněnou metodou. Sušení odvodněných kalů je první a nezbytnou podmínkou pro použití metod termické destrukce kalů.
Obr. 1. Sušárna kalů může být i hezká
Požadavky sušáren kalu na energii
Různé metody sušení kalů vykazují mírně rozdílné požadavky na tepelnou a elektrickou energii. Na odpaření jedné tuny vody za normálního tlaku je teoretická spotřeba tepelné energie 627 kWh. Dalších 93 kWh se spotřebuje na ohřev vody z 20 ºC na 100 ºC a 14 kWh na ohřev tuhého materiálu. Přímé tepelné ztráty představují o něco více než 100 kWh. To představuje potřebu minimálně 834 kWh na tunu odpařené H2O. Pro různé typy sušáren se udává spotřeba tepelné energie obvykle do 1 100 kWh/t odpařené vody. Hodnota pod 1 000 kWh/t odpařené vody je v praxi dosažitelná a žádoucí. V moderních zařízeních mohou být ztráty tepla v odplynech značně sníženy recirkulací, pak průměrná spotřeba tepla bývá okolo 930 kWh/t H2O.
Při sušení čistírenského kalu slouží elektrická energie primárně na pohánění sušicího zařízení. Navíc zde existuje mnoho podpůrných jednotek, např. na přepravu čistírenského kalu, úpravu odpadních par nebo pro řízení a ovládání procesu sušení. Spotřeba pro celý systém se pohybuje mezi 70 kWh/t H2O a 110 kWh/t, vztaženo na odpařenou vodu. S vyšším % koncentrace sušiny v usušeném kalu narůstají nároky na elektrickou a tepelnou energii.Bilance tepla na ČOV
Při plánování sušení kalů je vhodné propojit zdroje a spotřeby tepla mezi sušárnou a ČOV. Ne vždy je toto možné bez úplné přestavby tepelného hospodářství ČOV. Do bilance tepla na ČOV se zahrnují údaje, jako je:
• Produkce bioplynu;• Složení bioplynu (obsah CH4);
• Objem surového kalu;
• Teploty na vstupu a výstupu z topné vody kalových výměníků;
• Produkované teplo kogeneračními jednotkami;
• Teplo spotřebované na ohřev technologie;
• Teplo spotřebované na ohřev budov.
• Mezi dopočítané veličiny se zahrnuje:
• Obsah energie v bioplynu;
• Vyrobené teplo za předpokladu účinnosti přeměny energie obsažené v bioplynu na teplo dle použitého zařízení;
• % tepla využitého k ohřevu technologie z celkového množství vyrobeného tepla. Kogenerační jednotky produkují teplo ve formě vody o teplotě cca 90 °C. Při dostatečné produkci bioplynu a dostatečném zahuštění kalů odpovídá produkce tepla z kogeneračních jednotek potřebě tepla v zimě na ohřev technologie, provozních budov a přípravu teplé vody. V letních měsících nastává nadprodukce tepla, které však bude nedostatečné k provozu sušárny – bez ohledu na teplotu topného média pro provoz sušárny. Každá plánovaná realizace sušárny však musí být posuzována individuálně, protože nenajdeme dvě shodné lokality se stejnou produkcí a potřebou tepla. Kogenerační jednotky neprodukují v zimních měsících přebytek tepla nad provozní potřebu ČOV. Zrušení kogeneračních jednotek s cílem využití bioplynu na ohřev sušárny a technologie není zatím reálné s ohledem na dosud dotovanou produkci elektrické energie. Provedení ekonomického vyhodnocení možnosti zrušení kogeneračních jednotek je však žádoucí.
Požadovaná kapacita sušárny Návrh kapacity sušárny se stanovuje v tunách odpařené vody. Vstupní sušina odvodněného kalu bývá mezi 25–30 % sušiny v odvodněném kalu. Obvykle se požaduje, aby na výstupu bylo 90–92 % sušiny, kde jsou již minimalizovány problémy se samovznícením a výbuchem. Provozní doba sušáren se pohybuje od 7 500 do 8 000 provozních hodin ročně. Potřebná doba odstávky však není obvykle v jednom kuse, v průběhu roku je rozdělena do několika úseků. Po dobu odstávky se doporučuje odvodněný kal akumulovat. Odstávky se dělí na plánované a neplánované. S kapacitou sušárny souvisí i vícelinkové uspořádání sušárny, které je z provozního hlediska výhodnější, protože lépe vykryje kolísání potřebné kapacity sušárny, obzvláště při použití kryté meziskládky odvodněného kalu. Jedná se však o investičně výrazně dražší řešení.
Sušení kalů
Existuje mnoho typů sušáren, v současnosti jsou nejčastěji používané fluidní a pásové sušárny odvodněných kalů. Alternativou pro strojní sušení kalů jsou solární sušárny kalů.
Při výběru vhodného typu sušárny se posuzují technické a ekonomické parametry daného typu sušárny. Jedná se především o:
• Spolehlivost a délku servisních odstávek;
• Bezpečnost provozu sušárny;
• Počet referencí sušárny daného typu a dané velikosti;
• Provozní náklady včetně možnosti rekuperace tepla;
• Možnost zapojení sušárny do systému využívání tepelné energie na ČOV;
• Možnost využití externích zdrojů „odpadního“ nízkokalorického tepla. Souhrn těchto faktorů finálně ovlivňuje výběr typu sušárny. Z ekonomického hlediska a snížení provozních nákladů je vhodné použít systém s co nejvyšším procentem rekuperace tepla. Pro pásové sušárny se používá topné médium o rozsahu teplot cca 70–145 °C. Obvyklým zdrojem tepla je teplo vyprodukované kogeneračními jednotkami, teplo získané spalováním bioplynu či zemního plynu, teplovod nebo zbytkové teplo z teplárny nebo elektrárny. Sušícím médiem sušáren je proudící vzduch. Po průchodu sušárnou je sušící vzduch vlhký, a proto je nutné jej zbavit vlhkosti. Zbavení vlhkosti vzduchu se provádí v kondenzátoru, kde kondenzují páry obsažené ve vzduchu za vzniku kondenzátu. Ochlazený a přebytečné vlhkosti zbavený vzduch se buď vrací zpět do procesu, nebo vypouští mimo sušárnu do biofiltrů na čištění odcházejícího vzduchu. Při použití kondenzace se u pásové sušárny dosahuje až 90% recyklace vzduchu, u fluidní sušárny se procento recirkulace přibližuje 100 %. Malé množství vypouštěného vzduchu slouží především k udržení podtlakového režimu v sušárně. Výhodou použití kondenzační jednotky je produkce malého objemu vypouštěného vzduchu. V tomto případě postačují malé pračky vzduchu a malý biofiltr na čištění odplynů. Rekuperace tepelné energie je téměř nezbytná pro snížení provozních nákladů a zvýšení efektivity systému sušení kalů.
Čištění vypouštěného vzduchu
V průběhu sušení se z kalu uvolňují do sušícího média – vzduchu všechny těkavé látky. Jedná se o amoniak, nižší mastné kyseliny a ostatní těkavé látky. V případě zahnívajícího kalu to může být i sulfan (sirovodík), merkaptany a mnohé další látky. Větší část těchto látek je zachycena v kondenzátu, který obsahuje rovněž prachové podíly vznikající jako úlet prachových částic ze sušeného kalu. Podíl prachových částic zadržených v kondenzátu záleží mimo jiné na rychlosti proudění vzduchu uvnitř sušárny.
Kondenzát
Při sušení odvodněných vyhnilých kalů ČOV vzniká kondenzát, který dle použité technologie chlazení může být naředěn různým množstvím chladicí vody. Největší část znečištění kondenzátu tvoří těkavé látky obsažené v tekuté fázi odvodněného kalu před jeho vstupem do procesu sušení. Složení vodné fáze obsažené v odvodněném kalu nejvíce odpovídá obsahu složek ve fugátu z odvodnění vyhnilého kalu. Buněčný obsah buněk vyhnilého kalu rovněž ovlivňuje složení kondenzátu. Lze konstatovat, že většina těkavých látek obsažených v sušeném kalu přejde do kondenzátu a kondenzát bude rovněž obsahovat určitý podíl prachových částic z cirkulačního/sušícího plynu. Prachové částice v kondenzátu jsou zdrojem CHSK, Pc, NL a Nc. Objem ředící vody kondenzátu závisí na způsobu chlazení. Koncentrace CHSK v kondenzátu může přesáhnout 2000 mg/l a koncentrace amoniakálního dusíku může převýšit 1000 mg/l. Uvedené koncentrace jsou však orientační, vše závisí na objemu ředící vody a na kvalitě sušeného kalu. Z hlediska komplexnosti řešení se doporučuje kvantifikovat ovlivnění ČOV znečištěním obsaženém v kondenzátu.
Odpadní vzduch
V rámci zařízení sušárny existuje několik zdrojů emisí, které vznikají v rámci vlastní sušárny včetně zásobníků na odvodněný a usušený kal. Jedná se o přebytečný plyn ze sušárny a aspirační plyn. Přebytečný plyn je plyn, který vzniká při vlastním procesu sušení kalu, tzn. který je v kontaktu při sušení kalu. Aspirační plyn je plyn, který je nezbytný k zajištění nevýbušného prostředí v jednotlivých technologických částech sušárny.
Rozdělení sušáren a fáze sušení
Při zvažování možnosti sušení odvodněných čistírenských kalů je nutné znát několik základních pojmů. Jedná se především o výrazy:
• adhezní nebo smyková fáze (adhesion or shearing phase), tj. fáze, která existuje v rozmezí přibližně 40% až 60% obsahu sušiny. Při této sušině čistírenský kal mění své reologické chování. V této fázi to je „lepivá hmota“, jejíž úpravě a přepravě je třeba věnovat zvláštní pozornost, popř. se vyhnout možnosti její tvorby;
• konvekční sušárna (convection dryer) je sušicí systém, kde je teplo na kal přenášeno plynným médiem, které je v přímém kontaktu s kalem;
• kondukční sušárna (conduction dryer) je sušicí systém, kde je teplo přenášeno na kal přenosem tepla vnitřním povrchem zařízení.
Kondukční sušárny
Kondukční sušárna funguje na principu převodu tepla na kal z vyhřívaného povrchu zařízení. Mezi kondukční sušárny patří zejména:
• Disková sušárna: Hlavní výhodou diskových sušáren je jejich prostorová nenáročnost. Tepelná energie do sušeného média přestupuje z rotujících disků, které svým otáčením kal posunují a zároveň promíchávají.
• Lopatková sušárna: Tyto sušárny jsou složeny z těla v horizontální poloze, ve kterém rotují v opačných směrech dva hřídele. Každý hřídel nese speciální klínovité lopatky.
• Tenkovrstvá sušárna: Principem tenkovrstvého způsobu sušení je roztírání dávek vstupujícího kalu po vnitřním povrchu vyhřívaného válce sušárny. Kal je roztírán speciálními lopatkami.
Konvenční sušárny
Konvekční sušicí systémy zahrnují nejvíce sušáren použitelných pro sušení čistírenských kalů. Principem konvekčního sušení je přímé vysoušení kalu jeho stykem s horkým plynem. Pro čistírenské účely jsou nejpoužívanější typy těchto sušáren: pásová, fluidní, popř. rotační bubnová sušárna. Další typy sušicích zařízení nejsou rozšířeny pro sušení kalů.
• Bubnová sušárna: Rotační bubnová sušárna je kontinuálně pracující zařízení, jehož hlavní část – otáčející se válec je umístěn v mírném sklonu směrem k výhozu. Obvyklý průměr válce je 2 až 3 metry. Sušené médium postupuje bubnem a přesypává se, přitom přichází do kontaktu se sušícím vzduchem a na konci bubnu vypadává z výsypky. Sušicí plyn proudí protiproudně a je tvořen spalinami vzniklými ve spalovací komoře před vstupem do sušárny. Vystupující vlhké spaliny jsou následně zbaveny stržených jemných částic, například v cyklónu nebo rukávovém filtru.
• Pásová sušárna: Dalším příkladem konvekčního systému sušení je pásová sušárna, Sušárna využívá sušení prouděním vzduchu skrz kal rozmístěný po prodyšném sušicím pásu. Detailní popis pásové sušárny je začleněn do kapitoly 5 zprávy.
• Fluidní sušárna: Fluidní sušárna pracuje s teplotou fluidního lože okolo 85 °C (voda se odpařuje v podtlaku, což brání úniku škodlivin z cirkulačního plynu) a tato teplota je rovněž vzdálená od teploty, která je u sušení nebezpečná pro samovznícení, tj. 130 až 150 °C. Detailní popis fluidní sušárny je v další části této kapitoly.
Pásové sušárny
Pásové sušárny patří ke konvekčním sušicím systémům. Mohou vysušit odvodněný čistírenský kal přímo přes adhezní fázi na obsah sušiny vyšší než 90 %. Ve většině průmyslových sušáren je vlhký odvodněný kal rozprostřen na pásy vytlačením pomocí trysek rozmístěných napříč pásy. Pro vytvoření nudliček nutných k vytvoření porézního koberce musí být obsah sušiny ve vstupním kalu dostatečný, tj. obvykle vyšší než 20 %. Odvodněný kal je pro sušení přepravován přes komory sušáren na jeden nebo více perforovaných dopravníkových pásů, přes které cirkuluje proud horkých plynů. V závislosti na zdroji tepla a potřebné intenzitě sušení se teplota topného média mění od teploty okolo 70 °C do cca 140 ºC a podle toho se mění i doba zdržení kalu a velikost sušárny. Existují však i výjimky.
Obr. 2. Celkový pohled na pásovou sušárnu
Pásové sušárny je možné řídit na základě množství přiváděného kalu, dopravní rychlosti pásu a dodávané tepelná energie. V současné době převládá použití nízkoteplotních sušáren kalů. U nízkoteplotních sušáren se udržuje konstantní teplota vzduchu. Vlhkost vzduchu v poslední komoře souvisí s výsledným obsahem sušiny v kalu, měření lze využít buď pro nastavení rychlosti pásů a/nebo velikosti průtoku kalu z výtlačných lisů. Nízkoteplotní sušárny však mohou mít potíže při požadavku na dosažení obsahu sušiny nad 85 %.
Obr. 3. Nudličkovací zařízení uvnitř pásové sušárny – displej řídicího systému
Předpokladem pro zpracování kalů sušením je požadavek, aby odvodněný kal byl bez cizích částic, jako např. kamenů nebo kovových předmětů, větších než 10 mm. Tyto cizí částice mají za následek poruchy při čerpání kalu a celkově snižují provozní pohotovost sušicího zařízení.
Kompletní sušárna včetně periférií se skládá z těchto technologických částí: • pásová sušárna jako hlavní součást celého zařízení zahrnuje výměník tepla pro ohřev vzduchu, granulaci odvodněného kalu pomocí zpětného vedení již vysušeného kalu, popř. „nudličkovač“ kalu či jiné obdobné zařízení na rovnoměrné rozprostření kalu na pás;• dávkovací silo na odvodněný kal;
• chlazení vysušeného kalu (granulátu);
• silo na vysušený kal (granulát);
• zařízení na čištění odpadního vzduchu. Nespornou výhodou pásových sušáren je zejména možnost využití odpadního tepla s nízkou úrovní teploty (< 140 °C). Limitujícími parametry je teplota vlastního procesu sušení, velikost sušárny a potřebná cirkulace vzduchu uvnitř sušárny.
Obr. 4. Detail usušeného kalu na pásu sušárny
Příjem odvodněného kalu a jeho skladování
Zásobník na odvodněný kal se plní systémem dopravníků odvodněného kalu, popř. jeho čerpáním nebo dovozem nákladními auty. Odvodněný kal přivážený nákladními vozidly se vysype do podzemního přijímacího zásobníku. Tento podzemní příjímací zásobník (bunkr) je vybaven:
• roštem;• hydraulicky poháněným posuvným dnem, popř. obdobným systémem;
• uzavíratelným víkem. Skladovací silo je koncipováno jako dávkovací silo, tj. že kalové čerpadlo dávkuje odvodněný kal ze zásobníku přímo do směšovače pásové sušárny. Sušicím médiem u pásové sušárny je sušicí vzduch. Teplota sušicího vzduchu závisí na zdroji tepla. Obecně lze konstatovat, že při stejném výkonu sušárny klesá potřebná plocha sušárny se stoupající teplotou sušicího vzduchu. Je to klasický poměr mezi provozními a investičními náklady, kdy se stoupajícími investičními náklady klesají náklady provozní. Aby se dosáhlo vysoké tepelné účinnosti, provozuje se pásová sušárna s velkým množstvím cirkulujícího plynu. To znamená, že velký podíl sušicího plynu se po kondenzaci par vede ventilátorem zpět do tepelných výměníků a následně do sušárny. Pásová sušárna může pracovat se zpětným vmícháváním již vysušeného kalu (granulátu) s nově přiváděným odvodněným kalem, čímž vzniká stabilní granulát o sušině 70–75 %. Granulace odvodněného kalu s již vysušeným granulátem tak řeší problém s lepkavostí kalu a umožňuje rovnoměrnou distribuci sušeného kalu na pásu. Vlhký granulát vytvořený zpětným smícháním zajišťuje optimální podmínky pro to, aby horký vzduch rovnoměrně procházel vrstvou kalu směrem shora dolů. Vysušený kal ze sušárny se dopravuje do chladiče. Chladicí vzduch absorbuje teplo z vysušeného kalu a následně se zavádí zpět do pásové sušárny. Usušený kal se z bezpečnostních důvodů chladí na teplotu max. 40 °C. Takto vychlazený granulát usušeného kalu lze skladovat.
Obr. 5. Kontejnery na usušený kal
Fluidní sušárna
Sušárny s fluidním ložem jsou nepřímo vyhřívané konvekční sušárny a používají se pro úplné vysoušení kalů. Sušárny s fluidním ložem jsou jediná zařízení, která nemají otočné části uvnitř sušárny. Ventilátory na cirkulaci vzduchu jsou umístěny mimo vlastní těleso sušárny. Princip sušáren s fluidním ložem je založen na přivádění turbulentně proudícího vzduchu/plynu, dokud se nevytvoří fluidní lože. Tím jsou granule kalu drženy ve vznosu, čímž jsou intenzivně promíchávány. Plyny poháněné silným ventilátorem procházejí vrstvou kalu, která expanduje do fluidní vrstvy kalu. Průtok plynu zajišťuje odvod odpařené vody. Energie potřebná k odpaření vody se dodává topnými trubkami umístěnými uvnitř fluidního lože kalu. Pracovní teplota topného média bývá větší, než je obvyklé u pásové sušárny. Médiem na přenos tepla bývá termoolej.
Celé sušicí zařízení se skládá z těchto technologických částí: • fluidní sušárna;• silo pro dávkování odvodněného kalu do sušárny;
• jednotka pro chlazení vysušeného kalu (granulátu);
• silo pro uskladnění granulátu;
• zařízení na čištění odpadního vzduchu;
• kotel na ohřev termooleje nebo jiný zdroj tepla; Příjem odvodněného kalu, chlazení a skladování usušeného kalu je obdobné, jako u pásové sušárny. Intenzivní fluidizací ve vznosu se dosahuje rovnoměrného vysušení a homogenního rozdělení teploty i při proměnlivém zatížení zařízení. Ke strukturalizaci odvodněného kalu dochází pohybem pevných částic ve fluidním loži, jakož i odpařováním vody z přiváděného kalu. Plyn, který cirkuluje v sušárně, se skládá z plynů obsažených v kalu a z lehce těkavých složek kalu a obsahuje za všech provozních podmínek podíl kyslíku max. obj. 8 %, vztaženo na suchý plyn. Tím je zajištěna vlastní inertizace prostředí a vyloučeno jakékoli nebezpečí požáru nebo výbuchu. Plyn odsátý z fluidní sušárny se dostává do cyklonového odlučovače, kde je do značné míry zbaven unášených prachových částic. Prachové částice separované cyklonovým odlučovačem se shromažďují v prachovém zásobníku a následně se mísí s proudem odvodněného kalu. Usušený kal je téměř bezprašný suchý granulát o zrnitosti 0,5–4 mm. Veškerá manipulace se suchým granulátem od fluidní sušárny až do sila na finální produkt se odehrává za všech provozních stavů v ochranné atmosféře se sníženým obsahem kyslíku pod 8 obj. % (vztaženo na suchý plyn). K inertizaci zařízení při jeho spouštění se využívá dusík uložený v zásobníku. Dusík se používá pouze k inertizaci plynového okruhu sušárny před spuštěním zařízení, během provozu zařízení se žádný dusík nespotřebovává. V sušárně se z přiváděného kalu uvolňují v něm obsažené inertní plyny (N2, CO2), které umožňují autoinertizaci fluidní sušárny. Přebytkový inertní plyn ze sušicího okruhu se využívá k inertizaci dalšího okruhu, který zajišťuje chlazení produktu. Přebytkový inertní plyn, využívaný k chlazení vysušeného kalu, se pak odvádí do sila na uskladnění finálního produktu.
Solární sušárny
Existují dvě hlavní podmínky, které musí být splněny při sušení kalů. Jedná se o dodání příslušně velké tepelné energie a následný odtah vlhkosti ve formě par. Přestup tepelné energie je možný třemi způsoby, které lze kombinovat. Jedná se o přestup
• přestup zářením;• kontaktní přestup;
• konvekční přestup. Solární sušárny využívají k sušení kalu sluneční energii. Byly vyvinuty z kalových polí. Odvodněný kal je dopraven do skleníku, rozprostřen po jeho dně a zdrojem tepla je sluneční energie. Rychlost sušení však závisí na intenzitě slunečního záření. Kolísání sušicí kapacity je minimalizováno pomocí řízené ventilace a systému obracení kalu na dně skleníku. Intenzita ventilace je řízena na základě kontinuálního měření teploty a vlhkosti vzduchu venku a uvnitř skleníku. V zimních měsících může být provoz solární sušárny intenzifikován pomocí podlahového topení o tepelném výkonu 150–300 W/m2. Hlavním zdrojem tepelné energie však zůstává sluneční záření. Provoz solární sušárny je ekonomický, ale výkon sušárny je přímo úměrný úhrnu slunečního záření. Proto plocha solární sušárny nesmí býti zastíněna. Vzhledem k požadované ploše sušárny je nezbytné při plánovaném použití solární sušárny počítat s větším záborem plochy na sušárnu v porovnání s ostatními metodami sušení kalů.
Obr. 6. Solární sušárna staršího typu
Provoz a návrh sušáren ovlivňuje bezpečnostní hledisko
Usušený kal má vlastnosti, které mohou být značně rozdílné v závislosti na použité technologii sušení. Odlišuje se především tvarem úsušků, prachovým podílem a sypnou hmotností, která je však odvislá od tvaru úsušků. Některé druhy sušáren používají peletizaci kalu s cílem snížení prachového podílu v usušeném kalu a k sjednocení velikosti úsušků. Fluidní i pásová sušárna poskytují relativně sjednocenou velikost granulí usušeného kalu. Usušený kal má obvykle tyto vlastnosti:
• sušina kalu 85–95 %;• usušený kal je od prachovité konzistence až po jednotný granulát bez prachových podílů;
• sypnou hmotnost od 0,4 do 0,9 t/m3 v závislosti na tvaru částic usušeného kalu. Odvodněný kal lze částečně vysušit i na 50–70 % sušiny. Takto vysušený kal je problematicky skladovatelný a manipulovatelný. V průběhu několika dní startují biologické procesy, růst hub a samovolné zvyšování teplot s nebezpečím samovznícení. Především z těchto důvodů se částečné sušení prakticky nepoužívá. Je odůvodnitelné pouze v případech, kdy se předsušený kal ihned dále zpracovává bez delšího meziuskladnění. V případě i krátkodobého skladování odvodněného anaerobně stabilizovaného kalu existuje reálné nebezpečí uvolňování různých plynů, v kterých může převažovat metan a sulfid (sirovodík). Oba plyny jsou hořlavé a při jejich akumulaci v silu existuje potenciální nebezpečí exploze. Sirovodík je navíc ještě jedovatý plyn. Rychlost uvolňování plynů z odvodněného kalu závisí mimo jiné na hodnotě pH, teplotě, stupni stabilizace kalu, době zdržení apod. Z tohoto důvodu je nezbytné silo odvětrávat a odplyny čistit, a to i při odstavení sušárny. Obvyklé hodnoty výměny vzduchu jsou 6 až 10násobek objemu sila za hodinu. V průběhu manipulace a skladování usušeného kalu je nebezpečí výbuchu a samovznícení především prachových částic. Nebezpečí výbuchu vzniká v případě, že prachové částice dosáhnou kritické koncentrace ve vzduchu a obsah kyslíku je nad spodním limitem výbušnosti. Jakkoli malý výboj statické elektřiny, otevřený oheň, vyšší teplota a podíl zvlášť malých prachových částic mohou být příčinnou výbuchu prachu. Zahoření prachu může být iniciováno zvýšenou teplotou povrchu zařízení ve styku s vrstvou prachu, která zamezí dostatečný odvod tepla, a tím i dosažení kritické teploty. Granule usušeného kalu, stejně jako prachové částice, reagují exotermicky s možností vzniku doutnání a v případě dostatečné koncentrace kyslíku může vzniknout i otevřený oheň. Možnost vzniku výbuchu nebo přímého ohně je podmíněna přítomností dostatečné koncentrace kyslíku. Na vznik doutnání při nedostatku kyslíku obvykle postačuje lokální dostatek kyslíku pro podporu exotermické reakce v kombinaci s nedostatečným odvodem tepla. Chladicí kapacita musí být dostatečná v důsledku nízké tepelné vodivosti granulí kalu ve velkých skladovacích objemech.
Uvnitř fluidní sušárny v podstatě neexistuje nebezpečí výbuchu prachu, v důsledku nízké koncentrace prachových částic a nedostatku kyslíku v nosném plynu. Mechanická manipulace s usušeným kalem je spojená s vznikem prachových částic, které se mohou hromadit na stěnách nebo stropu sila a při opadnutí ze stěny mohou vytvořit kritickou koncentraci. Jako ochrana proti možnosti exploze se používá snížená koncentrace kyslíku. Za bezpečnou koncentraci kyslíku se považuje vzduch s koncentrací kyslíku do 8 % objemových procent kyslíku ve vzduchu. Tato hodnota se dosahuje dávkováním dusíku při uvedení sušárny do provozu a následně pomocí samoinertizačního procesu, kdy se kyslík v procesu sušení sám spotřebuje.
Nebezpečí samovznícení
Nebezpečí vzniku ohně je reálné ve všech místech, kde se nachází a manipuluje s granulemi kalu, s výjimkou vlastní sušárny. Připouští se maximální teplota povrchu 60 °C. Uvnitř sušárny je nízká koncentrace kyslíku a doba kontaktu granulí s povrchem výměníku tepla je krátká. Tyto skutečnosti zajišťují prakticky nulové nebezpečí vzniku ohně uvnitř sušárny.
Existují dvě kritická místa pro samovznícení. Jedním je silo granulí usušeného kalu a druhým je silo na prach oddělený v cyklonu. V obou případech je dlouhá doba skladování v kombinaci s ostatními faktory možnou příčinou vzniku lokálního doutnání, které při styku se vzduchem může zapříčinit vzplanutí kalu.
• Silo má vnitřní atmosféru se sníženou koncentrací kyslíku, jedná se o jednu z větví cirkulačního plynu;
• Silo pracuje v mírném přetlaku, aby se zamezilo nežádoucímu průniku vzduchu do sila;
• Monitoruje se teplota uvnitř sila a při jejím nárůstu se spouští inertizace, např. dusíkem;
• V případě zjištění doutnání uvnitř sila, dávkování dusíku nezajistí uhašení ohniska, pouze zamezí vzniku otevřeného ohně.
Hygiena pracovního prostředí
Proces sušení kalu a manipulace s odvodněným a usušeným kalem je nezbytné dobře zabezpečit z hygienického hlediska. Manipulace s odvodněným kalem vyžaduje zabezpečení, která se běžně používají na čistírnách. Větší problémy jsou s usušeným kalem. Kal usušený na sušinu cca 65–70 % je z hygienického hlediska problematický, protože v průběhu několika dní často nastávají na povrchu kalu biologické procesy (růst hub), které mohou společně s prachovými podíly usušeného kalu působit zdravotní potíže – především alergie. Při sušení kalu na sušinu 90–95 % se sice obvykle produkuje hygienicky zabezpečený kal, je však zvýšené nebezpečí tvorby prachových podílů. Proto je nezbytné při návrhu sušení kalu klást velmi vysoké nároky na manipulaci a skladování usušeného kalu z hlediska zajištění prachotěsnosti. Největší hygienické nebezpečí, a to především u prachových částic kalu, spočívá v různých alergických reakcích pokožky, očí a dýchacích cest.
Závěr
Úvahy o nutnosti zařazení sušárny jako konečného řešení kalového hospodářství je vhodné konkretizovat vypracováním technicko-ekonomické studie, která by vyhodnotila reálné varianty řešení. Studie by měla na základě rozhodovací analýzy navrhnout typ sušárny, její kapacitu, zdroj tepla, zapojení sušárny do tepelného hospodářství ČOV a v neposlední řadě ověřit i možnost diverzifikace variant konečného odstranění usušeného kalu. Rozhodovací analýza by měla vyhodnotit optimální variantu řešení jak z pohledu nejen současnosti, ale především pro ekonomické podmínky ve výhledu. Vzhledem ke skutečnosti, že neznáme budoucí ceny energie a dalších komodit, doporučuje se vyhodnotit několik variant s různě optimistickým vývojem cen.
Ing. Karel Hartig, CSc.
Sweco Hydroprojekt a.s.
Táborská 31
140 16 Praha 4
karel.hartig()sweco.cz
