A szennyvíziszap pirolízise
A szennyvíziszap pirolízise értékes termékek előállításához
Abstract
Ez a tanulmány a különböző forrásból származó szennyvíziszap pirolízisére összpontosít egy méretarányos, féltételes reaktorban 300 és 500 ° C hőmérsékleten. Megállapítást nyert, hogy mind a hőmérséklet, mind a nyersanyag-összetétel jelentős hatással volt a termék hozamára és tulajdonságaira. A legmagasabb gáz- és szintézisgáz-hozamot a lepárlóipari szennyvíziszap pirolízisében figyelték meg 500 °C-on, míg a csirketrágya összetétele kedvezett a bioolaj képződésének (9,8 és 17,1%).
A gázterméket 0,6-ig terjedő H2/CO arány jellemezte; Ezért a szintézishez való felhasználás előtt további minőségjavításra van szükség. A bioolaj (5,2 – 17,1%) jelentős mennyiségű oxigénnel dúsított vegyületet tartalmazott, de hidrogénezés után alkalmas a hagyományos üzemanyagok helyettesítésére. A pirolízis során a karbonizáció és a funkciós csoportok eltávolítása miatt a szén elemi összetétele (22,8 – 71,4%) is megváltozott.
Kulcsszavak: szennyvíziszap, pirolízis, szintézisgáz, bioolaj, bioszén előállítása
Bevezetés
A szennyvíziszap-termelés növekedése megvalósíthatóbb eljárások bevezetését teszi szükségessé a jelenlegi kezeléssel kapcsolatos társadalmi-gazdasági és környezeti problémák csökkentése érdekében. A szárazanyagot tekintve évente közel 23 millió tonna települési szennyvíziszap keletkezik1. A szennyvíziszap fehérjéket, szénhidrátokat, lipideket vagy zsírokat, szerves és szervetlen vegyületeket, valamint különböző káros anyagokat, például baktériumokat, vírusokat, dioxinokat és nehézfémeket tartalmaz. Mindazonáltal Bosznia-Hercegovinában, Horvátországban, Romániában, Szerbiában és Törökországban a szennyvíziszap kezelésének legszélesebb körben alkalmazott módja a hulladéklerakókban való elhelyezés. Bulgáriában, Csehországban, Írországban vagy Norvégiában a szennyvíziszap kezelésére a mezőgazdasági hasznosítás a leggyakrabban alkalmazott módszer, míg a balti országokban, Szlovákiában, Luxemburgban vagy Magyarországon a komposztálás módszere. A jelenlegi módszerek fő hátránya, hogy jelentősen növelhetik a nitrogén, foszfor, nehézfémek és különböző kórokozók környezetbe történő kibocsátását.
A szennyvíziszap káros hatásainak csökkentése érdekében pirolízist javasoltak a jobb gazdasági teljesítmény, a nagyobb volumencsökkentés és a szénben gazdag termékek energiává és/vagy tüzelőanyaggá alakításának nagyobb hatékonysága miatt. A pirolízis oxigénmentes környezetben, 300 – 600 °C hőmérséklet-tartományban végrehajtott lebomlási folyamat. A folyamat során a szerves összetevők bioolajjá, gáztermékké és széntartalmú maradékká, úgynevezett bio-char alakulnak át. A pirolízist, mint más termokémiai folyamatokat, számos tényező befolyásolja, beleértve a nyersanyagot, a hőmérsékletet, a reakcióidőt, a tartózkodási időt, a fűtési sebességet és a katalizátort.A nyersanyag nagy hatással van mind a termékek mennyiségére, mind azok összetételére. Általában a magas cellulóztartalmú nyersanyagok jelentős mennyiségű vizet és más oxigéntartalmú komponenst eredményeznek. A nitrogén, kén és egyéb nemfémes elemek mind a gáz-, mind a folyadék-, mind a szilárd frakciókban megjelenhetnek, miközben a fémek felhalmozódnak a folyékony és szilárd termékekben.A szennyvíziszappal kevert egyéb anyagok (pl. biomassza, műanyag) szintén befolyásolják a végbemenő reakciókat és a termék tulajdonságait. A szennyvíziszap és a biomassza co-pirolízise során hígító és szinergikus hatások is érvényesülhetnek, ami alacsonyabb bomlási hőmérsékletet és magasabb gázhozamot eredményez. A hőmérséklet szintén kulcsfontosságú tényező a termék hozama és összetétele szempontjából.A magasabb hőmérséklet elősegíti a gáztermék képződését és magasabb hidrogéntartalmat eredményez. Ezenkívül a magasabb hőmérséklet is hozzájárulhat a jelentősebb kokszképződéshez. A reakcióidő a másodlagos reakciók szempontjából is jelentős hatással van a termékekre. A magas hevítési sebesség növeli az illékony anyagok mennyiségét. Fontos azonban megjegyezni, hogy a magas hevítési sebesség általában rövid reakcióidővel párosul, így a folyadékhozam is magasabb.Katalizátor (pl. alumínium-oxid, szilícium-dioxid vagy zeolitok) szintén használható a pirolízis hozamszerkezetének és összetételének befolyásolására. Használatuknak azonban bonyolultnak kell lennie a jelentős költségigény vagy a nehéz visszanyerés és regenerálás miatt.
A szennyvíziszap pirolízisét rögzített, fluidizált vagy keringető fluidágyas reaktorokban lehet elvégezni. Mindazonáltal a lebomlási folyamatokat leggyakrabban termogravimetriás eszközökkel (pl. TG-FTIR) vizsgálták, ami a reprodukálhatóság és a reprezentativitás szempontjából problematikus. A reális esetek kivizsgálásához van néhány cikk a nagyobb léptékben (10-50 g) végzett pirolízisről. Alvarez és munkatársai pirolízis kísérleteket végeztek 50 g szennyvíziszap felhasználásával, 450 – 600 ° C-on. Kizárólag a bioolaj előállítására összpontosítottak, és nem szolgáltattak információt a gáz és a szilárd termékek hozamáról, összetételéről és tulajdonságairól. Sun et al 35 g nyersanyagot pirolizált, miközben Xie et al. szintén méretarányos pirolízis kísérleteket végzett. Bár a gáz és a szilárd termékek hozamáról és összetételéről adtak információt, katalizátort (bevont alumínium-oxidot vagy ZSM-5-öt) is használtak az illékony termékek mennyiségének növelésére és a termékszerkezet kedvező irányú módosítására.A hivatkozott cikkek alapján megállapítható, hogy a bioolaj helyettesítheti a hagyományos motorüzemanyagokat, és a tisztított és/vagy kondicionált gáztermék Fischer–Tropsch-szintézis alapanyagaként vagy metanol-szintézis alapanyagaként is felhasználható. A szilárd pirolízis termék alkalmas lehet katalizátorként vagy szorbensként való felhasználásra. Ennek ellenére gyakorlatilag nincs információ olyan kísérletről, ahol legalább 100 g nyersanyagot pirolizálnának – különösen termikusan – és megvizsgálnák az összes termék felhasználását.
Szerzők: Szabina TOMASEK, Norbert MISKOLCZI, Csaba FÁYKÖD, Andrea SOMOGYI
