Исследование параметров производства пеллет из осадка сточных вод

Рост населения и стремительная индустриализация приводят к значительному увеличению потребления энергии промышленным сектором. Использование ископаемого топлива в качестве основного источника энергии привело к истощению невозобновляемых природных ресурсов и негативному влиянию выбросов вредных веществ на окружающую среду. Это привело к необходимости сократить и ограничить использование традиционного топлива и перейти на возобновляемые источники энергии (ВИЭ), такие как биотопливо и вторичные энергоресурсы. Устойчивое использование отходов биомассы для решения энергетических и экологических проблем является перспективной задачей. Для производства биотоплива можно использовать такие виды сырья, как сельскохозяйственные и лесные отходы, энергетические культуры, водоросли, ил, мусор и пищевые отходы [1–3].

Ключевым фактором для решения проблем, связанных со снижением доли ископаемых топливных ресурсов, является повышение ценности отходов с точки зрения их энергетического потенциала и увеличение эффективности их сжигания в существующих энергоустановках [4]. Осадок сточных вод (ОСВ) – крупнотоннажный отход, который образуется непрерывно на сооружениях водоподготовки и очистки сточных вод. Осадок, образующийся при очистке сточных вод, как правило, содержит вирусы, бактерии, тяжёлые металлы, а также диоксины и небиоразлагаемые органические соединения [5]. В последнее время самым распространённым становится метод сжигания обезвоженных осадков совместно с другим высококалорийным топливом [6–8].

Особый интерес представляет увеличение эффективности энергетического использования осадка сточных вод в топливном балансе энергоустановок целлюлозно-бумажной промышленности (ЦБП). Это обусловлено тем, что на предприятиях ЦБП ежедневно образуется до 250 тонн обезвоженного осадка влажностью 70–77 %. Образуемый осадок, как правило, утилизируется в котлоагрегатах совместно с древесными отходами после окорки древесины. При этом высокая влажность осадка снижает теплотворную способность топливной смеси, что приводит к перерасходу топлива, снижению КПД котельных установок и увеличению выбросов вредных веществ. Данную задачу по повышению энергетической ценности осадка сточных вод можно решить с помощью гранулирования осадка в высококалорийные топливные пеллеты. Преимущества гранулирования таких отходов производства заключаются в увеличении плотности энергии на единицу объёма осадка, снижение влажности обеспечивает постоянство качественных характеристик, высокую теплоту сгорания и эффективность горения [9–11].

Обзор литературы

Сжигание осадка сточных вод изучалось во многих работах [12–17]. Так, в [12] авторы определяли количество выбросов вредных веществ при совместном сжигании осадка с гранулами из биомассы (в различных пропорциях) и обнаружили, что при увеличении доли осадка в топливной смеси с 25 до 50 % выбросы NO x увеличились в 1,5 раза, а выбросы SO _x – более чем в два раза. Г. Вонг и соавт. [14] исследовали влияние изменения концентрации кислорода на сжигание высушенного осадка сточных вод и пришли к выводу, что для интенсивной термической утилизации осадка сточных вод необходимо принять меры по снижению потенциального риска выделения токсичных газов, образующихся в результате такой обработки.

Гранулирование биомассы является одним из самых эффективных способов повышения энергетической ценности топлива [14, 18–23], однако вопросы производства пеллет из осадка сточных вод недостаточно изучены. В работе [14] исследовалось сжигание гранулированного осадка сточных вод, но вопросы гранулирования и сравнения энергетических и физико-механических характеристик затронуты не были.

Постановка задачи

Целью исследования является получение топливных пеллет, соответствующих ГОСТ Р 55114– 2012, исследование элементного состава и теплотехнических характеристик полученных гранул для последующего их использования в энергетических котельных агрегатах.

Сбор и подготовка образцов осадка сточных вод

Осадок сточных вод был отобран в топливном бункере перед его подачей на сжигание в котлоагрегат Hybex (производительность по пару 83,52 т/ч, давление 10 МПа, температура перегрева 540 °С), установленный на ТЭС-1 АО «Архангельский ЦБК». Подготовка проб выполнялась в полном соответствии с действующими ГОСТ 33563– 2015, ГОСТ Р 54187–2010, ГОСТ 33255–2015, ГОСТ 33104–2014. Подготовка осадка происходила в два этапа: высушивание осадка до воздушно-сухого (аналитического) состояния и размол осадка на режущей мельнице до гранулометрического состава от 0 до 1000 мкм.

Гранулирование осадка сточных вод

Гранулирование осадка сточных вод проводилось в пресс-грануляторе Amandus Kahl. Устройство пресс-гранулятора показано на рис. 1. Габаритные размеры гранулятора: длина – 1125 мм, ширина – 855 мм, высота – 2012 мм. Принцип действия установки основан на продавливании измельченного топлива двумя роликами 12 диаметром 130 мм и шириной 29 мм через каналы матрицы, в которых происходит уплотнение исходного сырья.

Рис. 1. Пресс-гранулятор Amandus Kahl 14-175:

1 – асинхронный двигатель; 2 – редуктор; 3 – прессовальная камера; 4 – кожух; 5 – колпак с рассекателем; 6 – вращающееся дно; 7 – ножи; 8 – каналы матрицы; 9 – бегунковая головка; 10 – регулировочная гайка; 11 – контргайка; 12 – два бегунка; 13 – главный вал; 14 – корпус;

15 – дозирующее устройство; 16 – приемный бункер; 17 – распределительный шкаф; 18 – корпус

Fig. 1. Amandus Kahl 14-175 pellet press:

1 – asynchronous motor; 2 – gearbox; 3 – pressing chamber; 4 – casing; 5 – cap with divider; 6 – rotating bottom; 7 – knives; 8 – matrix channels; 9 – runner head; 10 – adjusting nut; 11 – lock nut; 12 – two runners; 13 – main shaft; 14 – body; 15 – dosing device; 16 – receiving hopper; 17 – distribution cabinet; 18 – body

Осадок сточных вод из бункера шнеком подавался в прессовальную камеру. В камере располагается главный вал, который соединен с вращающимся дном, ножами и бегунковой головкой. Верхняя часть камеры ограничена кожухом, который закрыт колпаком с рассекателем для поступающего топлива. В пазы корпуса прессовальной камеры устанавливается матрица диаметром 175 мм, высота которой в пять раз превышает диаметр ее каналов. Матрица плотно прилегает к стенкам камеры, и ее температура контролируется с помощью контактной термопары. В нижней части прессовальной камеры установлен горизон- тальный редуктор с понижающей передачей. В корпусе находится распределительный шкаф для управления прессом и дозирующим устройством. Оба привода оснащены частотным регулированием. В ходе экспериментов с помощью блоков управления Danfoss FC 300 и DigiDrive регулировали скорость вращения вальцов по поверхности матрицы, их прилегание к матрице и скорость подачи осадка на матрицу. Для получения оптимальных гранул подбор режима работы пресс-гранулятора происходил экспериментальным путем. Изначально заданные параметры приведены в табл. 1.

Таблица 1

Table 1

Начальные параметры работы пресс-гранулятора

Initial parameters of the pellet press operation

Частота вращения, Гц	Скорость подачи, г/мин	Прилегание вальцов	t матрицы, °C	Плотность пеллет	Время работы, мин
30,0	200	При прокручивании валков слегка уплотнялась масса на матрице	45	Твердые, не имеют оболочки	10 Остановка вращения вальцов

Оптимальные параметры работы пресс-гранулятора

Optimal parameters of the pellet press operation

Частота вращения, Гц	Скорость подачи, г/мин	Прилегание валков	t матрицы, °C	Плотность пеллет	Время работы, мин
26,5	120	При прокручивании вальцов осадок сточных вод на матрице начинал уплотняться	70	Твердые, имеют оболочку	Работа не нарушалась

Таблица 2

Table 2

Рис. 2. Полученные гранулы из осадка сточных вод Fig. 2. Granules obtained from sewage sludge

При первом запуске гранулятора гранулы из осадка не обладали твердой оболочкой и на гранулах быстро конденсировалась влага. Дальнейшие эксперименты проводились с различными вариациями частоты вращения и прилегания валков и скорости подачи осадка. Таким образом удалось подобрать режим (табл. 2), при котором получаются гранулы, соответствующие ГОСТ Р 55114–2012, – цилиндрической формы, длиной 25 мм, с обломленными концами и твердой глянцевой оболочкой (рис. 2).

Подбор режима работы пресс-гранулятора показал, что при более медленной подаче осадка на матрицу, а также при более плотном прилегании валков осадок забивает поверхность матрицы сухой спрессованной массой, останавливая работу установки. После этого плотность прилегания вальцов к матрице и скорость подачи были сильно снижены с целью исключения остановки вращения вальцов.

Также стоит отметить тот факт, что после гранулирования осадка сточных вод на матрице и подающем шнеке остались небольшие задиры, что говорит о высоком износе металлических узлов гранулятора при пеллетировании высокозольного топлива.

Теплотехнические исследования

Для теплотехнических исследований (влажность, выход летучих веществ, зольность, теплота сгорания) и элементного анализа образцы были подвергнуты размолу в шаровой барабанной мельнице РМ 200 фирмы Retzsch, просеяны на ситовом анализаторе Retzsch AS 200 Control до гранулометрического состава от 63 до 125 мкм (ГОСТ Р 53335– 2018, 55660–2013, 52917–2008, 55661–2013). Результаты теплотехнических исследований представлены в табл. 3. Теплотворная способность осадка была определена с помощью калориметра

Таблица 3

Характеристики исходного осадка сточных вод и полученных пеллет

Table 3

Characteristics of the initial sewage sludge and the obtained pellets

Параметр	ОСВ	Пеллеты из ОСВ
Общая влага топлива в рабочем состоянии, %	72,3	4,3
Зольность сухого состояния топлива, %	18,2	18,2
Выход летучих веществ, %	76,4	74,1
Низшая теплота сгорания в рабочем состоянии, кДж/кг	3 134	17 652

IKA C 2000 Basic Version 2 с жидкостным криотермостатом LOIP FT-216-25. Содержание влаги в аналитической пробе определяли по ГОСТ Р 52911– 2022 высушиванием образца при температуре 105 °С. Выход летучих веществ и зольность определяли при помощи муфельной печи по ГОСТ Р 55660–2013 и ГОСТ Р 55661–2013.

Теплотехнический анализ показал, что теплота сгорания пеллет из осадка в 5,6 раза выше теплотворной способности осадка, сжигаемого в смеси с древесными отходами. Теплота сгорания гранул выше, чем теплота сгорания торфа [24], и ниже теплоты сгорания пеллет из различных видов древесины [25]. Выход летучих веществ на сухую беззольную массу у исходного осадка и гранул отличается незначительно, это объясняется тем, что часть летучих веществ может удаляться из топлива в процессе гранулирования. Высокое значение выхода летучих веществ и низшей теплоты сгорания позволяет сжигать гранулированный осадок без добавления традиционных видов топлива.

Элементный анализ

Элементный анализ был проведен методом рентгенофлуоресцентной спектроскопии на спектрометре EDX-8000. Содержание водорода, азота и углерода определено с помощью анализатора EuroVector EA-3000 (табл. 4).

Основными золообразующими и шлакообразующими элементами в осадке сточных вод являются кальций, алюминий, кремний, магний и железо.

Доля щелочноземельных металлов (Ca, Mg, Sr) в исходном осадке – 2,176 %. Содержание щелочных металлов (K, Na) – около 0,322 %. Содержание углерода (44,7 %) и водорода в топливе близко к содержанию углерода и водорода в большинстве биотоплив. Стоит отметить наличие большого количества серы в биотопливе, что приводит к необходимости сжигания пеллет из осадка при температурах уходящих газов выше точки росы для исключения явления низкотемпературной коррозии. При этом наличие хлора в осадке также может приводить к явлениям коррозии – хлоридной коррозии пароперегревателя. Количество азота в топливе (3,10 %) выше, чем у других видов биомасс, что говорит о том, что при сжигании пеллет из осадка будут увеличиваться выбросы NO x .

Состав золы топлива был проанализирован с помощью показателей отношения основания к кислоте ( Rb/a ), общего содержания щелочи ( TA ), показателя засорения ( Fu ) и вязкости при шлакообразовании ( SR ). Показатели были определены по уравнениям [26]:

R  _ Fe2O3 + CaO + MgO + K2O + Na2O b / a =        SiO2 + TiO2 + A12O3        ;

T A = K 2 O + Na 2 O;

F = R b / a (K 2 O + Na 2 O);

S_R =--------SO--------100%.

R SiO₂ + Fe 2 O 3 + CaO + MgO

Таблица 4

Элементный состав пеллет из осадка сточных вод

Table 4

The elemental composition of pellets produced from sewage sludge

Показатели	Содержание элементов, %	Метод исследования
S	2,85	Рентгенофлуоресцентная спектроскопия (EDX-8000)
Fe 2 O 3	0,512
K 2 O	0,121
CaO	1,92
CuO	0,006
SiO 2	1,65
Al2O3	1,59
Cr 2 O 3	0,005
MnO	0,124
NiO	0,002
ZnO	0,037
Na2O	0,201
MgO	0,248
SrO	0,008
TiO 2	0,035
Cl	0,220
V 2 O 5	0,011
Br	0,005
O	35,8
N	3,10	Элементный анализ (EA3000)
C	44,7
H	6,87

Таблица 5

Показатели прогнозирования осаждения

Table 5

Precipitation prediction indicators

R b / a	TA	Fu	S R
0,91	3,37	3,09	0,30

Результаты расчетов индексов шлакования представлены в табл. 5.

Значение индекса 0,5 <  R_{b / a} < 1 соответствует среднему отложению золы. В случае T_A > 0,4 и F_u ≤ 40 зола будет в большом количестве осаждаться на поверхностях нагрева. В случае индекса вязкости при шлакообразовании, если S_R < 66,1, то отложение шлака является высоким. Общее количество основных оксидов (оксиды железа, кальция, магния, натрия и калия) в золе пеллет составляет около 30 %, что также указывает на то, что температура плавления золы будет достаточно низкой.

Практическая значимость

Практическая значимость заключается в получении из влажного осадка сточных вод высококалорийных топливных пеллет. В настоящий момент осадок из-за низкой теплотворной способности сжигается только в смеси с другими видами топлив (мазут, уголь или биотопливо). Производство гранул из ОСВ позволит эффективно утилизировать образующийся на очистных сооружениях или захороненный на полигонах осадок в существующих энергоустановках для сжигания биотоплива, например, в котлоагрегатах с кипящим слоем или в котлоагрегатах с колосниковой решеткой.

Это будет способствовать снижению количества отходов, отправляемых на полигоны, и уменьшению негативного воздействия осадка сточных вод на окружающую среду.

Заключение

• 1.    Для осадка сточных вод оптимальным является режим гранулирования с невысокой частотой вращения и неплотным прилеганием вальцов, а также с невысокой скоростью подачи осадка в прессовальную камеру.

• 2.    Теплота сгорания гранул из осадка сточных вод в 5,6 раза выше теплоты сгорания исходного осадка.

• 3.    Основными золообразующими и шлакообразующими элементами в осадке являются кальций, алюминий, кремний, магний и железо.

• 4.    Содержание основных горючих элементов в осадке схоже с остальными видами биотоплив.

• 5.    Высокое содержание серы в пеллетах из осадка сточных вод приведет к опасности серной коррозии.

• 6.    Отношение количества основных оксидов к кислым оксидам (30 %) говорит о низкой температуре начала плавления золы осадка сточных вод, что будет приводить к проблемам при сжигании пеллет в котлах с сухим шлакоудалением.