Puhdistamolietteen käsittelyssä käytettävän termisen ruuvikuivaimen prosessimallinnus ja teknoekonominen tarkastelu

Abstract

Jätevesien puhdistusprosessista saatava puhdistamoliete ja sen mädätysprosessista syntyvä mädätysjäännös vaativat aina hygienisoivan käsittelyn, jotta niitä voidaan hyödyntää maataloudessa tai viherrakentamisessa. Yksi mahdollinen käsittelytapa on terminen käsittely, joka voidaan suorittaa monella eri tekniikalla. Tässä työssä tutkittiin pilottivaiheessa olevan termisen ruuvikuivaimen toimintaa puhdistamolietteen termisessä käsittelyssä. Lisäksi tarkasteltiin pilottilaitteiston investointi- ja operointikustannuksia. Työn teoriaosuudessa tuotiin esille puhdistamolietteen käsittelyketju, käsittelyllä saavutettavat asiat sekä niihin liittyvät rajoitteet. Lisäksi luotiin katsaus lämmönsiirron perusteisiin lietteen kontaktikuivauksessa eri lämmönlähteillä sekä esiteltiin kuivausprosessiin vaikuttavia tekijöitä. Termiset kuivaintekniikat voidaan jakaa epäsuoraan ja suoraan kuivaustekniikkaan, sekä niiden yhdistelmään. Työssä tutkittu pilottilaitteisto oli tyypiltään epäsuoraan kuivaukseen, eli kontaktikuivaukseen perustuva ruuvikuivain, missä kuivattavaa materiaalia kuljetetaan vaipan sisällä olevalla siirtoruuvilla ja lämmönlähde virtaa siirtoruuvin akselin sisällä. Työn laskennallisessa osiossa muodostettiin prosessilaskentamalli pilottilaitteistolle sekä tarkasteltiin laitteiston investointi- ja operointikustannuksia. Työssä tehdyt laskennalliset tarkastelut suoritettiin teoreettisesti kirjallisuuden ja analyyttisten korrelaatioiden pohjalta. Prosessilaskentamalli perustui mekaanisesti sekoitetun pedin lämmönsiirron laskentateoriaan, missä tärkeimmät muuttujat olivat kontaktilämmönsiirtokerroin ja lietepedin lämmönsiirtokerroin. Lisäksi tarkasteltiin lämmönlähteiden ominaisuuksia ja määritettiin kaikille lämmönlähteille konvektiiviset lämmönsiirtokertoimet. Pilottilaitteiston kuivaustehokkuutta tarkasteltiin kolmella eri lämmönlähteellä, jotka olivat kylläinen höyry, kuuma vesi ja savukaasu. Jokaiselle lämmönlähteelle suoritettiin tarkastelut kolmella eri lämpötilatasolla, jotka olivat 120°C, 160°C ja 200°C. Yksi kuivausprosessin laskennassa tärkeäksi osoittautunut parametri, lietepedin sekoittuvuus, otettiin tarkasteluissa huomioon ruuvin kierrosnopeuden muutoksena. Ruuvin kierrosnopeuden vaikutusta kuivaustehokkuuteen arvioitiin 10 rpm ja 20 rpm kierrosnopeuksilla kaikilla lämmönlähteillä ja lämpötilatasoilla. Prosessilaskennasta saatujen tuloksien perusteella kylläinen höyry ja kuuma vesi osoittautuivat kuivaustehokkuudeltaan huomattavasti paremmiksi lämmönlähteiksi samoilla lämpötilatasoilla, kuin savukaasu. Kylläisen höyryn ja kuuman veden tapauksessa lämmönsiirron rajoittavaksi tekijäksi muodostui lietepedin lämmönsiirron resistanssi ja savukaasun tapauksessa savukaasun konvektiivinen lämmönsiirron resistanssi. Myös lietepedin sekoittuvuudella huomattiin olevan selkeä vaikutus lämmönsiirtotehoon ja kuivauksen viipymäaikaan, kun käytettiin korkean konvektiivisen lämmönsiirtokertoimen omaavia lämmönlähteitä. Laskennalliseksi kokonaislämmönsiirtoimeksi tarkastelluissa tapauksissa saatiin 41–182 W/m2K. Kuivaimen kokonaisinvestoinniksi laitetoimituksena saatiin 158 000 euroa. Saatu investointikustannus oli hyvä ensimmäinen arvio kohti kokonaisen laitetoimituksen hintaa. Operointikustannuksissa tarkasteltiin energian hyödynnettävyyttä kuivausprosessissa eri lämmönlähteillä. Saaduista tuloksista voitiin tehdä johtopäätös, että kustannustehokkain lämmönlähde kuivausprosessissa käytettäväksi oli kylläinen höyry. Tarkastelussa huomattiin myös, että suuren eron kustannustehokkuuteen toi kuivaimesta poistuvan lämpöenergian hyödyntäminen sekundäärisessä käyttökohteessa.