Využití odpadního tepla pro zahušťování odpadních vod z pohledu ekologie konstrukce

Ochrana životního prostředí a snižování spotřeby přírodních zdrojů jsou v dnešní době všudypřítomnými požadavky národních i mezinárodních politik a dokumentů. Tento trend má přispět k udržitelnému rozvoji společnosti a zajištění odpovídajících životních podmínek pro současné i budoucí generace. Organizace spojených národů představila ve svém strategickém dokumentu společné cíle v oblasti udržitelného rozvoje po roce 2015. Patří mezi ně snaha zefektivnit hospodaření s vodními a energetickými zdroji tak, aby byly všeobecně dostupné a nedocházelo k jejich zbytečnému plýtvání. Tyto priority vycházejí z odhadů, podle kterých více než miliarda světové populace trpí nedostatkem vody a pro další stamiliony je znečištěná voda příčinou zdravotních problémů.

Na úrovni Evropské unie je vodohospodářská politika harmonizována směrnicí 2000/60/ES, jejímiž prioritami jsou mimo jiné snižování objemu odpadních vod a množství znečišťujících látek vypouštěných do vod či zajištění dostatečných vodních zásob pro období sucha. Přestože je v ČR dlouhodobě monitorován pokles odběrů vody a zvyšování podílu čištěných odpadních vod, zasluhuje si tato problematika zvýšenou pozornost. Podle údajů MŽP bylo v roce 2013 odebráno celkem 1 649,8 mil. m3 vody, přičemž mezi hlavní odběratele patřila energetika (43,2 %), vodovody pro veřejnou potřebu (37,5 %) a průmysl (15,1 %). V evropských statistikách jsou energetika a průmysl zodpovědné za odběr přibližně 40 % veškeré vody. V některých zemích (např. Německo, Nizozemí, Maďarsko) toto číslo přesahuje hranici 80 %.

Oba sektory jsou zároveň významnými znečišťovateli vody. Podle zdroje je pouze 60 % odpadní vody z energetiky a průmyslu před vypuštěním upravováno. Nutno ovšem podotknout, že velkou část této odpadní vody tvoří chladicí voda pro účely výroby elektřiny, jejímž dominantním znečišťujícím prvkem je zvýšená teplota. V ČR je zastoupení hlavních emitentů odpadní vody srovnatelné s odběrateli. Množství vody vypouštěné z energetických závodů kolísá v závislosti na aktuálně připojených provozech a v roce 2013 představovalo 31,9 % všech odpadních vod. Průmyslové odpadní vody bylo ve stejném období registrováno 282,4 mil. m3, tedy zhruba 15,3 % z celku. Hlavními sektorovými znečišťovateli jsou chemický, papírenský, těžební a potravinářský průmysl.

Tato odvětví zatěžují vodní zdroje zejména organickými látkami a těžkými kovy. Objemově méně významným (0,4 % odpadních vod), ale přesto výrazným emitentem znečišťujících látek je zemědělství. Hlavním problémem tohoto odvětví není vypouštění z bodových zdrojů, ale vliv zemědělské činnosti na tzv. plošné znečištění, které se do povrchových a podzemních vod dostává splachem hnojiv a pesticidů ze zemědělské půdy. Obecně lze konstatovat, že jakost vody ve vodních tocích se v posledních dvaceti letech výrazně zvýšila. Přesto existují oblasti, kde redukce znečištění bude v příštích letech prioritou.

Snaha o účinnější využívání primárních energetických zdrojů, která by měla omezit závislost Evropy na jejich importu a přispět ke snížení ekologické zátěže, se projevuje v řadě evropských dokumentů a směrnic. emisí oxidu uhličitého o 20 % (oproti úrovni v roce 1990), poklesu spotřeby primárních energetických zdrojů o 20 % (v porovnání s projekcemi z roku 2007) a k navýšení podílu obnovitelných zdrojů v energetickém mixu na 20 %. Všechny tři požadavky jsou úzce provázané. Spálení menšího množství primárních zdrojů znamená méně CO2 uvolněného do atmosféry, zároveň se automaticky zvedá relativní zastoupení obnovitelných zdrojů. K úsporám primárních paliv nedochází pouze zvyšováním efektivity jednotlivých technologií či nahrazováním konvenčních energetických zdrojů za obnovitelné.

Čtěte také: Zdravá úroda česneku

Výrazných úspor lze dosáhnout integrací dílčích výrobních či zpracovatelských operací, tedy komplexním přístupem, jehož cílem je snižování energetické náročnosti procesů jako celku. Záměrem tohoto přístupu je obvykle maximální využití dostupného odpadního tepla, respektive odpadních proudů obecně. Pod pojmem odpadní teplo lze rozumět energii obsaženou v jakémkoliv typu odpadního proudu (spaliny, chladicí voda, horký vzduch), který má teplotu převyšující teplotu okolního prostředí a jenž by za běžných podmínek odcházel z procesu bez využití. Odborná veřejnost se v definicích odpadního tepla rozchází, a to zejména ve vymezení jeho teplotních rozsahů. Podle lze za vysokopotenciální odpadní teplo považovat zdroje o teplotě přesahující 500 °C, v oblasti od 150 do 500 °C pak mluví o teple se středním energetickým potenciálem.

Nejčastěji přítomným zdrojem odpadního tepla je teplo nízkopotenciální (pod 150 °C), které je z logiky věci součástí jakéhokoli odpadního proudu přesahujícího teplotu okolí. Přestože je zastoupení nízkopotenciálního tepla výsadní, zůstává problémem jeho účelné využití, neboť energii o takto nízké teplotě lze uplatnit jen v omezeném množství průmyslových procesů. Tento fakt je jedním z důvodů, proč jsou v praxi velké objemy odpadního tepla mařeny. Tím dochází nejen k tepelnému znečištění okolního prostředí, ale i k plýtvání se zdroji energie. Průmyslová výroba je kromě vody také významným konzumentem energií. V EU se na konečné spotřebě energií podílí 25 %, v ČR pak téměř 1/3, což odpovídá 3 217 TWh, respektive 87,6 TWh.

Jaké celkové množství energie odchází z průmyslových procesů ve formě odpadního tepla je však obtížné určit. Do mezinárodních statistik nejsou údaje o odpadním teple zahrnovány. Podobná je situace v ČR, kde neexistuje subjekt, který by celostátní bilance tepelných energií zpracovával. Dostupné jsou pouze dílčí statistiky zahrnující specifický okruh průmyslových podniků. Podle publikace vydané ČSÚ bylo v roce 2013 v rámci transformačních procesů v energetice uvolněno zhruba 7,5 PJ (2,1 TWh) chemického a odpadního tepla. Toto číslo však nepostihuje veškeré teplo v jednotlivých provozech uvolněné a týká se převážně větších technologických jednotek. Navíc jde o statistiku vycházející z výkazů omezeného okruhu podnikatelských subjektů, které jsou registrovány k výrobě elektrické energie či tepla nebo mají za tímto účelem registrovanou jednotku.

Uvedená hodnota tedy nezahrnuje velké množství průmyslových provozů, které teplo v rámci své činnosti produkují, ale nejsou za tímto účelem patřičně registrovány. Částečnou informaci o využití odpadní energie v průmyslových procesech nabízí analytický materiál MPO. Podle tohoto dokumentu byly v rámci dotačních programů mezi roky 2007-2013 v průmyslových procesech upotřebeny téměř 2 PJ (0,66 TWh) odpadního tepla. Uvedená hodnota sice neodhaluje celý potenciál odpadního tepla v průmyslu, ale naznačuje, že dosažení výrazných úspor je v tomto směru reálné. Studie, jejímž cílem bylo mimo jiné podrobně zmapovat nejvýznamnější zdroje tepla v EU za účelem dalšího plánování v oblasti teplárenství, předpokládá minimálně 64 PJ (17,8 TWh) odpadního tepla dostupného z průmyslových procesů v ČR. V měřítku celé EU se pak jedná o číslo 10 287 PJ (2 857,5 TWh).

Zmíněné hodnoty odpovídají odhadům uvedeným ve zprávě, podle které 20 až 50 % vstupní energie odchází z průmyslových procesů nevyužito. tento údaj na průmyslem v ČR ročně spotřebovaných 87,6 TWh, dostaneme hodnotu 17,5 TWh, která je v souladu se studií. Z uvedených faktů je zřejmé, že odpadního tepla odchází z průmyslových procesů velké množství. Zásadní otázkou zůstává, jakým způsobem ho využít. Při hledání vhodného řešení je třeba brát v úvahu skutečnost, že většinu odpadního tepla představuje teplo nízkopotenciální, tedy do 150 °C. Podle autorů textu má vysoký potenciál využití odpadního tepla k odpařování (zahušťování) průmyslových odpadních vod. Ačkoliv je proces odpařování notoricky známým jevem, který nalézá uplatnění v širokém spektru lidské činnosti, jeví se jeho využití v kontextu současných okolností a environmentálních požadavků jako dostatečně zajímavá možnost, která by neměla být přehlížena.

Čtěte také: Význam recyklace neželezných kovů

Zahušťování odpadních vod

Článek se zabývá zahušťováním odpadních vod s využitím odpadního tepla z přidružených průmyslových procesů. V České republice je ročně průmyslem vyprodukováno více než 280 mil. m3 odpadní vody a ještě větší množství vody průmysl spotřebuje. Zároveň je toto odvětví výrazným konzumentem energetických zdrojů, které však zpravidla nejsou důsledně využity. Ročně z průmyslu odchází více než 17,5 TWh odpadního tepla. Jedním z řešení, které má potenciál k redukci odpadních vod při současném využití přebytečného tepla, je odpařování odpadních vod.

Za tímto účelem je možné uvažovat o uplatnění osvědčených technologií používaných při odsolování mořské vody (MED, MSF), jejichž základní provozní parametry jsou v textu popsány. Z mnoha výhod těchto zařízení lze jmenovat jednoduchou konstrukci, spolehlivý chod a ekonomiku provozu výrazně podpořenou dostupným odpadním teplem. Při zamyšlení nad konkrétními možnostmi aplikace uvedených metod lze vycházet z četných studií, které se zabývaly odpařováním vody ze širokého spektra odpadních vod. Předkládaný text prezentuje výsledky ze zahušťování vod z kovodělného, koksárenského a farmaceutického průmyslu či z provozů na zpracování biomasy. Potenciál k úpravě odpadních vod zahušťováním v České republice je pak součástí úvah a výpočtů v poslední části textu. Z výsledků plyne, že při využití pouhého zlomku (0,94 %) průmyslového odpadního tepla lze odpařováním ušetřit až 8,5 mil. m3 vody ročně.

Aplikace odpařování na úpravu odpadních vod se může ve světle moderních a progresivních technologií jevit jako krok zpět. Při hlubším zamyšlení se však nabízí řada výhod, které mohou z odpařování učinit zajímavé řešení mnoha problémů. Hlavní devízou odpařování je schopnost vytěžit maximum z odpadních proudů, které by jinak zůstaly nevyužity. Teoreticky je tímto způsobem možné nejen snížit objem odpadního tepla a vod odcházejících z průmyslové výroby, ale zároveň se nabízí příležitost zpětného využití získaných produktů - vody (destilátu) a látek zahuštěných v koncentrátu (schematicky na obr. 1). Využitelnost těchto zdrojů bude samozřejmě závislá na jejich vlastnostech a charakteru daného průmyslového procesu. Nelze proto vyloučit potřebu dodatečné úpravy produktů před jejich recyklací (např. sušením). Zajímavou alternativou je možnost energetického využití koncentrátu jeho spalováním.

Proces odpařování se využívá v celé řadě aplikací. V zařízeních zvaných odparky dochází k odlučování nejtěkavější složky z roztoku, suspenze nebo emulze. Tímto způsobem se buďto získává nejtěkavější složka směsi (nejčastěji voda), nebo je cílem zahuštění roztoku. Odparky mohou být jedno- či vícečlenné, s cirkulací směsi nebo bez, pracující za atmosférických podmínek i za sníženého tlaku, s kontinuálním nebo vsádkovým provozem. Používají se např. k zahušťování mléka, ovocných šťáv nebo k výrobě koncentrovaných kapalných hnojiv.

Odsolování slaných vod je oborem, jenž neustále nabývá na významu. V roce 2013 překročila celosvětově instalovaná kapacita odsolovacích jednotek hranici 80 mil. m3 čerstvé vody za den. Přestože vůbec nejrozšířenější technologií je v současnosti reverzní osmóza, zaujímají tepelné metody (využívající principu odpařování) v odsolovacím průmyslu nezastupitelnou roli. Patří mezi ně vícestupňová mžiková destilace (MSF), vícestupňové odpařování (MED) a komprese páry (VCD). Posledně jmenovaná technologie však není schopná efektivního využití odpadního tepla, proto jí dále nebude věnována pozornost. MSF a MED jsou dlouhodobě osvědčenými metodami, které jsou využívány zejména k vysokokapacitnímu odsolování (desítky tisíc m3 vyprodukované vody denně) slaných a brakických vod.

Čtěte také: Klíčová role recyklace kovů

Technologie MED a MSF

Technologie MED (Multi­‑effect distillation) je považována za termodynamicky vysoce efektivní. MED jednotka se obvykle skládá z několika stupňů (komor), ve kterých je postupně snižován tlak, a tím i bod varu. Slaná napájecí voda je ohřívána vodní parou vně nebo uvnitř kondenzačního potrubí, které prochází skrze komoru. Voda odpařená v jednom stupni je zdrojem tepla (páry) pro stupeň následující. Počet stupňů se volí s ohledem na dostupný teplotní spád a minimální přípustnou teplotní diferenci mezi sousedními komorami. Vstupní teplota napájecí vody se běžně pohybuje kolem 70 °C, čímž se technologie chrání před korozí. Energetická náročnost metody se pohybuje kolem 3,8 kWhe a 16,4 kWht na m3 destilované vody.

Také technologie MSF (Multi­‑stage flash distillation) je vysoce náročná na spotřebu tepelné energie a pracuje v několika stupních (obvykle více než 20) s postupně klesajícím tlakem (až 0,07 bar). Zpravidla nasycenou párou předehřátá slaná voda vstupuje do odpařovací komory. Zde dochází k prudkému mžikovému odpaření (tzv. flash) vlivem nerovnováhy mezi teplotou slané vody a rovnovážnou teplotou, která odpovídá podtlaku v komoře. Odpařená voda je přes odlučovače kapek (demistery) odváděna na teplosměnnou plochu, kde zkondenzuje a předá výparné teplo slané vodě, která nově vstupuje do procesu. Destilát je odváděn pryč z komory, zkoncentrovaná slaná voda postupuje do dalšího stupně. V konvenčních velkokapacitních závodech se teplota vstupní slané vody pohybuje od 90 do 120 °C, výstupní potom kolem 30 °C v závislosti na ročním období a teplotě okolí.

S vyšší teplotou roste výtěžnost technologie, ale zároveň s ní i míra usazování a koroze. Energetická náročnost procesu se uvádí kolem 5,2 kWhe a 19,4 kWht na m3 destilované vody. Hlavními výhodami jsou jednoduchá konstrukce a provozní spolehlivost, vysoká kvalita destilátu a nízké nároky na předúpravu vstupní vody. Nevýhodami jsou problémy s korozí a vysoká spotřeba energií. Jedná se v podstatě o tytéž přednosti a slabiny jako u metody MED. Obě představené technologie disponují schopností zahušťovat vstupující procesní kapalinu a z odpařené vody produkovat destilát o určité kvalitě. Jakost destilátu se bude samozřejmě lišit v závislosti na zvolených provozních podmínkách a složení napájecí vody, zejména na zastoupení těkavých látek, které se budou odpařovat při stejné či nižší teplotě než voda. Výhodou uvedených metod je kontinuální provoz a možnost pracovat při nízkých teplotách.

Kritickou hodnotou, jež bude omezena konstrukčním řešením odsolovacích zařízení, je stupeň zahuštění výstupního koncentrátu. S rostoucím obsahem sušiny ve zpracovávané odpadní vodě se zhoršují tokové vlastnosti kapaliny, zvyšují se požadavky na odolnost a výkon použitých čerpadel a prohlubuje se riziko sedimentace či dokonce ucpání celé technologie. Za nepumpovatelný se z tohoto pohledu označuje koncentrát s obsahem sušiny 16 % obj. a více. Teoreticky je možné spekulovat o vhodné úpravě technologií a zapojení jiných typů čerpadel (pístová, plunžrová), která jsou schopná přečerpávat suspenze až s 40% koncentrací sušiny.

tags: #moreni #kovu #z #pohledu #ekologie #konstrukce

Oblíbené příspěvky:

• Recyklace odpadů v Hlinsku
• Environmentální výchova v zimě
• Fond ohrožených dětí Klokánek Teplice
• Čištění odpadů železa
• Efektivní likvidace stavebního odpadu