Analiza metod energetycznego wykorzystania odpadów.pdf

�TARZYNA KYĆ *

Analiza metod energetycznego wykorzystania odpadów

Słowa kluczowe

termiczne przekształcanie odpadów – plazma – biogaz – incyneracja odpadów

Streszczenie

W artykule przedstawiono analizę różnych metod wykorzystania właściwości energetycznych odpadów, jako źródła „zielonej”

energii. Opisano zarówno termiczne metody utylizacji odpadów, jak również dodatkowe źródło energii powstałej z utylizacji

biogazu wytwarzanego na składowiskach odpadów.

Wprowadzenie

Włączenie Polski do struktur Unii Europejskiej wiąże się z szeregiem zobowiązań, jakie musimy podjąć w celu

uporządkowania gospodarki odpadami. Z dyrektywy 2006/12/WE o odpadach wynika obowiązek przygotowania

co najmniej jednego planu gospodarki odpadami, obejmującego terytorium całego kraju. W Polsce przygotowywane

są plany gospodarki odpadami na czterech poziomach – krajowym, wojewódzkim, powiatowym i gminnym.

Celem dalekosiężnym tworzenia krajowego planu gospodarki odpadami jest dojście do systemu gospodarki zgod-

nej z zasadą zrównoważonego rozwoju, w którym realizowane są zasady postępowania z odpadami zgodnie z hierarchią,

czyli po pierwsze zapobiegania i minimalizacji ilości wytwarzanych odpadów oraz ograniczenie ich właściwości nie-

bezpiecznych, a po drugie wykorzystanie właściwości materiałowych i energetycznych odpadów, a w przypadku, gdy

odpadów nie można poddać procesom odzysku ich unieszkodliwianie, uwzględniając przy tym składowanie jako

najmniej pożądany proces postępowania z odpadami. Realizacja tego celu umożliwi osiągniecie innych celów, takich

jak: ograniczenie zmian klimatu powodowanych przez gospodarkę odpadami poprzez minimalizację emisji gazów cie-

plarnianych z technologii zagospodarowania odpadów czy też zwiększenie udziału w bilansie energetycznym kraju

energii ze źródeł odnawialnych, poprzez zastępowanie spalania paliw kopalnych paliwami otrzymywanymi z odpadów

pochodzenia roślinnego i zwierzęcego [1].

* Wydział Wiertnictwa, Na�y i Gazu, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków

e-mail: kkyc@interia.pl

113

Kyć K.: Analiza metod energetycznego wykorzystania odpadów

Jednocześnie przyjęte zapisy w Traktacie Akcesyjnym oraz raty�kacja Protokołu z Kioto obligują krajowy sek-

tor energetyczny do działań ograniczających emisję dwutlenku węgla powstającego przy spalaniu paliw kopalnych.

Opublikowany projekt Rozporządzenia Rady Ministrów w sprawie Krajowego Planu Rozdziału Uprawnień do emi-

sji dwutlenku węgla na lata 2008÷2012 jest zapowiedzią drastycznych ograniczeń dotychczasowych limitów emisji

dwutlenku węgla dla zawodowego sektora energetycznego. Ograniczenia te przełożą się na zmniejszenie produkcji

energii cieplnej i elektrycznej z jednoczesnym wzrostem cen tych produktów.

Niezależnie od ostatecznych ustaleń co do tempa ograniczenia przyjętych w Rozporządzeniu kierunek ogra-

niczania emisji dwutlenku węgla z paliw kopalnych będzie przyjęty, zmuszając podmioty sektora energetycznego do

zmian w technologii wytwarzania energii.

Mając powyższe na uwadze należy położyć szczególny nacisk na poprawę efektywności wykorzystania energii

poprzez produkcję energii ze źródeł odnawialnych, w tym wykorzystania właściwości energetycznych odpadów.

W artykule przedstawiono analizę różnych metod wykorzystania właściwości energetycznych odpadów jako

źródła „zielonej” energii.

1. Wykorzystanie energii z zakładów termicznego przekształcania odpadów

Dyrektywa Unii Europejskiej 2001/77/WE z dnia 27 września 2001 r. w sprawie wspierania produkcji na rynku

wewnętrznym energii elektrycznej wytwarzanej ze źródeł odnawialnych stworzyła możliwość uznawania pewnej

części energii elektrycznej wytworzonej w instalacji TPOK (Termiczne Przekształcanie Odpadów Komunalnych)

jako energii z odnawialnego źródła.

Odpady z gospodarstw domowych (bytowe) zawierają węgiel uwięziony w dłuższych lub krótszych łańcuchach

molekularnych. Dłuższe łańcuchy, np. celulozy, mogą być jedynie utylizowane poprzez proces spalania. Krótsze

natomiast, np. te zawarte w odpadach żywnościowych, rozpadają się gwałtownie uwalniając w warunkach beztle-

nowych metan i dwutlenek węgla. Morfologiczne badania odpadów bytowych dowodzą, że 1 tona odpadów za-

wiera przeciętnie 170 kg organicznego węgla. Wartość energetyczną 1 tony odpadów można przyjąć na poziomie

9000÷10 080 MJ. Gdyby tak, jak wspomniano wcześniej, wysegregować frakcję organiczną i wyprodukować z niej

metan w warunkach beztlenowej fermentacji, można by z tej ilości wygospodarować około 2880 MJ energii [2].

Ze spalania 1 tony odpadów komunalnych można osiągnąć tyle energii co z 200 litrów ropy na�owej, natomiast

ze spalania 1 tony odpadów po sortowaniu, tyle co z 220 litrów ropy na�owej.

Do współcześnie stosowanych instalacji termicznego przekształcania odpadów należą instalacje stosujące

następujące rozwiązania konstrukcyjne:

– instalacja z paleniskami rusztowymi (klasycznym nieruchomym, ruchomym posuwisto-zwrotnym lub wal-

cowym, pochyłym, obrotowym),

– instalacje z piecami obrotowymi (obrotowy piec lub ruszt),

– instalacje ze spalaniem w różnych odmianach warstwy �uidalnej,

– układy o metodzie spalania opartej na wykorzystaniu procesu pirolizy.

Instalacje z paleniskiem rusztowym są obecnie najczęściej stosowanymi instalacjami opartymi o spalanie na

ruszcie. Istniejące w świecie rozwiązania palenisk rusztowych doprowadzone zostały drogą wieloletniego dosko-

nalenia do rozwiązań prawie idealnych pod względem konstrukcji, doboru materiałów, możliwości automatycznego

sterowania. Rozwój techniki spalania na świecie charakteryzuje się dalszym postępem przy spełnieniu coraz ostrze-

jszych wymagań ochrony środowiska, co oznacza, że instalacje będą odpowiadać najwyższemu stopniowi rozwoju

techniki (zasada BAT – Best Available Technologies ) [3].

W obrębie węzła spalania i utylizacji ciepła instalacje z paleniskiem rusztowym posiadają następujące główne

urządzenia i zespoły:

– system podawania odpadów z bunkra do leja zasypowego,

114

Krakowska Konferencja Młodych Uczonych 2008

– dozownik odpadów podający odpady na ruszt,

– palenisko z rusztem mechanicznym – najczęściej płaskim posuwisto-zwrotnym – wraz z napędem i układem

doprowadzenia powietrza pierwotnego,

– odżużlacz z zamknięciem wodnym,

– system doprowadzania i optymalnej dystrybucji powietrza wtórnego i recyrkulacji spalin,

– kocioł odzysknicowy – utylizujący ciepło spalin,

– instalacje parowe do produkcji energii cieplnej i/lub energii elektrycznej.

W obręb węzła oczyszczania spalin o typowej kon�guracji wchodzą:

– urządzenia odpylające (elektro�ltr lub �ltr tkaninowy),

– kilkustopniowe układy mokrego płukania spalin,

– układ odazotowania spalin,

– układ efektywnej redukcji dioksyn i furanów,

– układ oczyszczania i neutralizacji wód popłucznych oraz pozostałości poreakcyjnych,

– układ neutralizacji i unieszkodliwiania stałych produktów spalania.

Zespoły urządzeń oczyszczania spalin są obecnie wielostopniowymi układami, w których każdy stopień reali-

zuje inną część procesu oczyszczania spalin. Sterując optymalnie pracą poszczególnych stopni, można utrzymać

gwarantowany poziom emisji na wylocie z komina. W zakresie poprawy efektywności technicznej i ekonomicznej

węzłów oczyszczania spalin obserwuje się tendencje powrotu do pierwszych metod oczyszczania spalin, jakimi

były suche lub ewentualnie półsuche technologie ich oczyszczania. Układy takie mają jedną podstawową zaletę

– są układami bezściekowymi, a więc odpadają wysokie koszty neutralizacji wód biorących udział w dotychczas

najczęściej stosowanych mokrych technologiach oczyszczania spalin – rys. 1.

Rysunek 1. Schemat Zakładu Termicznego Przekształcania Odpadów [3]

Figure 1. �e scheme of waste incineration plant [3]

Spalanie odpadów w nieodpowiednich instalacjach i przy niewłaściwych procesach niesie ze sobą ogromne

zagrożenia. Podczas spalania odpadów z PCW i innych tworzyw, zawierających chlor i brom, wytwarzają się diok-

syny i furany, które są bardzo niebezpieczne dla człowieka i zwierząt.

115

Kyć K.: Analiza metod energetycznego wykorzystania odpadów

W celu przeciwdziałania syntezie dioksyn oraz usunięcia ich ze strumienia gazu spalinowego, w spalarniach

stosuje się wysoką temperaturę (900÷1200°C), przynajmniej dwusekundowy czas reakcji spalania oraz dopalanie

spalin z zastosowaniem dodatkowego zasilania powietrzem. Po wychłodzeniu spalin w wymiennikach ciepła do

400°C wprowadza się do nich odpowiednie kompozycje proszkowe, zawierające węglan wapniowy z glinokrze-

mianami, tlenkami glinu itp. Dzięki temu wiąże się chemicznie gazowy chlorowodór, a tym samym zabezpiecza

przed katalitycznym generowaniem dioksyn. Te kompozycje proszkowe dodatkowo wychwytują dioksyny obecne

w fazie gazowej. Cząstki lotnego popiołu, również zawierające dioksyny, wyłapuje się różnymi metodami suchymi

przy zastosowaniu cyklonów, elektro�ltrów, �ltrów workowych oraz metodami mokrymi przy użyciu skruberów

alkalicznych, przechwytujących chlorowodór i inne kwaśne gazy.

2. Plazmowe unieszkodliwianie odpadów

Plazma to silnie zjonizowany gaz, w którym występują neutralne cząsteczki, zjonizowane atomy oraz elektrony,

jednak cała objętość zajmowana przez plazmę z „globalnego” punktu widzenia jest elektrycznie obojętna. Uważa się ją za

czwarty stan skupienia materii. Plazma przewodzi prąd elektryczny, a jej opór elektryczny, inaczej niż w przypadku me-

tali, maleje ze wzrostem jej temperatury. Plazma ma strukturę komórkową, w której każda komórka jest otoczona przez

warstwę podwójną. Warstwa podwójna powstaje, gdy w plazmie występuje różnica temperatur. W warstwie podwójnej

od strony cieplejszej występuje warstwa o zwiększonej ilości (gęstości) jonów dodatnich, a od strony chłodniejszej

warstwa o zwiększonej gęstości elektronów, między tymi warstwami występuje obszar o zmniejszonej gęstości jonów

i elektronów. Komórki te mogą mieć formę ziarnistą, ale częściej obserwuje się formy włókniste, występujące często

przy przepływie plazmy. Ze względu na temperaturę plazmę dzieli się na:

– plazmę zimną (4000÷30 000 K) wytwarzaną w plazmotronach,

– plazmę gorącą (30 000 K i wyżej) występującą we wnętrzu gwiazd lub podczas wybuchów jądrowych.

Możliwość uzyskiwania wysokich temperatur w strumieniu plazmowym stwarza nową jakość procesu destrukcji

odpadów w porównaniu do tradycyjnego spalania, ponieważ plazma wytworzona przez pole elektryczne podnosi

temperaturę do znacznie wyższej wartości (rzędu 8000°C) niż płomień w paleniskach kotłowych, a jej energia może

powodować rozkład zanieczyszczeń na prostsze, bezpieczniejsze składniki.

Dzięki wysokiej temperaturze i dużej gęstości energii w plazmie, szybkość procesu destrukcji jest wysoka, co decy-

duje o dużej wydajności incyneracji odpadów. Istotą termochemicznej neutralizacji i likwidacji aktywnych substancji

chemicznych jest wykorzystanie strefy plazmy do atomizacji, utleniania i przekształcenia produktów procesu w związki

mało aktywne. Doprowadzenie do reaktora czynnika utleniającego zapewnia efektywne utlenianie odpadów w stre�e

plazmy. Na rysunku 2 przedstawiono schemat reaktora do plazmowej likwidacji niebezpiecznych odpadów [4].

Istnieje możliwość uzyskania końcowych produktów przetwarzania odpadów w mało ługowalnej postaci (w for-

mie spieku, żużla lub szkła). W tym celu do reaktora łukowego dodatkowo wprowadza się stabilizujące dodatki, które

ulegają przetopieniu i wiążą pozostałości po incyneracji. Odpady wtórne powstają w minimalnych ilościach, zwykle

poniżej 1% masy wsadu.

Plazmowa utylizacja odpadów organicznych może być prowadzona w następujących warunkach [5]:

a) pirolizy termicznej (prowadzona w obecności wody, co korzystnie wpływa na redukcję sadzy i sprzyja

powstawaniu procesów rodnikowych i łańcuchowych; głównymi produktami pirolizy plazmowej są: CO,

H 2 , CO 2 , HCl, niższe węglowodory gazowe, odpady nieorganiczne w postaci stopionego żużlu),

b) plazmy powietrznej lub tlenowej (następuje głębsza destrukcja odpadów, ale istnieje możliwość powsta-

wania dioksyn),

c) plazmy wodnej (obecność pary wodnej powoduje wysoką reaktywność tworzących się rodników hydroksy-

lowych, bardzo szybką reakcję rozkładu i powstawanie gazu palnego),

d) plazmy wodorowej (duża efektywność tworzenia się niższych węglowodorów nasyconych, ale proces jest

bardzo kosztowny).

116

Krakowska Konferencja Młodych Uczonych 2008

Rysunek 2. Schemat reaktora plazmowego [5]

Figure 2. �e scheme of plasma reactor [5]

W wyniku wprowadzenia substratów do reaktora plazmowego (rys. 2) i prowadzenia procesu bez udziału

powietrza (zapobiega to tworzeniu się dioksyn, furanów i NO x ) wytworzono gaz palny o wartości opałowej około

12 MJ/m 3 i następującym składzie chemicznym: H 2 (52%), CO (35%), CO 2 (6%), CH 4 (2%), inne gazy (5%).

Podstawową zaletą procesów zachodzących w plaźmie jest więc bezemisyjność podstawowego czynnika ener-

getycznego. Stosowanie plazmy w procesach utylizacji odpadów niebezpiecznych stwarza możliwość wprowadzenia

zintegrowanego systemu kontroli ochrony wszystkich komponentów biosfery. Technologia ta z racji wysokich tem-

peratur procesu, gwarantuje całkowitą destrukcję pochodnych dioksyn i furanów, polichlorowanych bifenyli i podo-

bnych związków występujących w znacznych ilościach, np. w odpadach sprzętu elektronicznego. Za pomocą plazmy

uzyskuje się pozytywne rezultaty w destrukcji tych związków poprzez jednostopniowe unieszkodliwienie odpadów

szczególnie niebezpiecznych, przy minimalizacji emisji lotnych związków.

Jednak przykład miasta O�awa, gdzie tradycyjne spalanie odpadów komunalnych zastąpiono konwersją

termiczną z użyciem plazmy w zakładzie przetwórstwa odpadów, pokazuje, iż zastosowanie plazmy nie ogranicza

się tylko do odpadów niebezpiecznych.

Odpady komunalne dowolnego pochodzenia i o dowolnych parametrach �zyko-chemicznych są dostarczane do

zakładu transportem samochodowym, a następnie, po rozładunku, są podawane do górnej części budynku magazynowe-

go. Po separacji materiałów nieprzydatnych do spalania lub przeznaczonych do recyklingu: jak plastiki, metale, szkła

czy papiery, następnie posortowane odpady wędrują do urządzeń konwersji termicznej. W dolnej komorze pierwszego

stopnia konwertera pod wpływem wysokiej temperatury zachodzi wydzielanie gazów, które wpływają do komory dru-

giego stopnia wyposażonego w elektryczne generatory plazmy. Ciepło uzyskiwane w tej komorze jest przekazywane

do pierwszej komory, co umożliwia zgazowanie materiałów bez ich spalania. Użycie generatorów plazmy jedynie do

rozkładu gazów na prostsze składniki m.in. H 2 , N 2 , CO, CO 2 , zapewnia wysoką efektywność jej wykorzystania.

Procesy zgazowania odpadów i oczyszczania gazów przebiegają w warunkach wysokiej temperatury i niskiej

zawartości tlenu, dzięki czemu unika się powstawania szkodliwych związków, takich jak furany i dioksyny. Powstały

gaz syntezowy (syngaz) przepływa z komory drugiego stopnia do rekuperatora, gdzie oddaje ciepło do ponownego

wykorzystania w dowolnej z dwóch komór konwertera bądź do podgrzewania czynnika w obiegu wodno-parowym

117

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: