-
[ Pobierz całość w formacie 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
[ Pobierz całość w formacie PDF ] - zanotowane.pl
- doc.pisz.pl
- pdf.pisz.pl
- wzory-tatuazy.htw.pl