FUNDACJA EDUKACJI EKOLOGICZNEJ I ZRÓWNOWAŻONEGO ROZWOJU ZIELONYCH RP Łódź, ul. Zielona 15 tel./fax. (0-42)

Transkrypt

1 FUNDACJA EDUKACJI EKOLOGICZNEJ I ZRÓWNOWAŻONEGO ROZWOJU ZIELONYCH RP Łódź, ul. Zielona 15 tel./fax. (0-42) info@zielonirp.org.pl Współpraca: PARTIA ZIELONYCH RZECZYPOSPOLITEJ POLSKIEJ STOWARZYSZENIE ZIELONI RZECZYPOSPOLITEJ POLSKIEJ RATUJMY ŚWIAT W numerze: Działalność organizacji Zielonych RP w zakresie ochrony środowiska. Pirolityczno fluidalna technologia utylizacji odpadów typu K. Nowa generacja technologii odzyskiwania energii w ofercie firmy NEW ENERGY CORPORATION. KWARTALNIK nr 4-6/2015 Biuletyn do użytku wewnętrznego bezpłatny kwiecień - czerwiec

2 Partia Zielonych Rzeczypospolitej Polskiej została zarejestrowana przez Sąd Rejestrowy roku, a 1 Kongres Partii odbył się w kwietniu 2004 roku w Łodzi. Partia Zielonych RP jest kontynuatorką działań Polskiej Partii Zielonych. Założenia programowe Partii zostały uaktualnione i spełniają wymogi światowego ruchu ekologicznego państw Zachodu i Wschodu. Jako partia ekologiczna zalicza się do centrum sceny politycznej. Łącznie z ruchem Młodych Zielonych liczy około 4000 członków. Poza tym posiada liczne grono sympatyków w kraju i za granicą. Partia skupia ludzi nauki, sektora obronnego, biznesu, gospodarki i rolnictwa. Stąd głównymi celami są: dobro Polski ochrona środowiska naturalnego rozwój społeczno-gospodarczy kraju i obrona zasad Polskiej Racji Stanu. Fundacja Edukacji Ekologicznej i Zrównoważonego Rozwoju Zielonych Rzeczypospolitej Polskiej we współpracy ze Stowarzyszeniem Zielonych Rzeczypospolitej Polskiej wspiera działania na rzecz ochrony środowiska, ochrony zdrowia obywateli, edukacji ekologicznej i zrównoważonego rozwoju kraju. Fundacja oraz Stowarzyszenie swoje cele realizują poprzez: prowadzenie działalności propagandowej organizowanie spotkań środowiskowych, seminariów i konferencji naukowych udział w tworzeniu planów zagospodarowania przestrzennego prowadzenie analizy wpływu skażenia środowiska na stan zdrowia obywateli współpracę z instytucjami naukowymi i badawczymi zajmującymi się ochroną środowiska i ochroną zdrowia, edukacją i planowaniem inwestycyjnym oraz sektorem obrony kraju wydawanie nieodpłatnie prospektów i tytułów prasowych gromadzenie środków finansowych i zasobów materialnych na rzecz Fundacji prowadzenie współpracy z zakładami służby zdrowia, organizacjami społecznymi i biurami projektów wspomaganie inicjatyw zgodnych z celami Fundacji poprzez pomoc materialną, oświatową i organizacyjną prowadzenie społecznych ekspertyz, opinii, raportów i analiz wspieranie wdrażania i stosowania technologii przyjaznych środowisku, wspieranie ochrony zasobów leśnych i wodnych wspieranie działań zmierzających do oszczędzania energii i wykorzystywania jej źródeł odnawialnych. inż. Jerzy Arent biegły ministra środowiska nr. 0013

3 Pirolityczno fluidalna technologia utylizacji odpadów typu K. Problem utylizacji odpadów komunalnych jest bardzo żywotnym i jednym z najważniejszych problemów ekologicznych w bliskiej przyszłości. Czy istnieją jednak rozwiązania technologiczne, które spełniałoby wszystkie wymagania bezpieczeństwa ekologicznego, energetycznego i ekonomicznego i będą akceptowane przez mieszkańców? Termiczna utylizacja odpadów komunalnych jest praktycznie jedyną technologią zielonej utylizacji, pozwalającą uzyskać minimalną emisję substancji szkodliwych do otoczenia i maksymalną sprawność termiczną. Pośród dotychczas stosowanych w skali światowej, technologii termicznego recyklingu, tylko technologia pirolityczno fluidalna daje możliwości całkowitej i zupełnej utylizacji odpadów bez wytwarzania substancji koniecznych do składowania jako odpadów. 1. Wstęp. Spalanie odpadów od najdawniejszych lat budzi kontrowersje i protesty społeczne. Większość oporów społecznych bierze się z dotychczasowych katastrof ekologicznych, nieznajomości przebiegu procesów termicznej likwidacji odpadów oraz nagłośnienia problemów emisji substancji szkodliwych do atmosfery. W tych ostatnich sprawach szczególnie aktywne były różnego rodzaju wyspecjalizowane ruchy ekologiczne, nie mające nic wspólnego z rzeczywistą wiedzą na temat termicznej utylizacji odpadów komunalnych, rolniczych, leśnych i przemysłowych. Pierwsza na świecie spalarnia wybudowana została w Anglii w Nottingham w 1874 r. Następną spalarnię wybudowano w 1875 w Manchesterze, a kolejne powstały w Birmingham, Leeds oraz w Londynie. W 1890 w Anglii w sumie pracowało około 39 spalarni odpadów. Pierwsze instalacje nie były 3 wyposażone w układy odzysku ciepła, emitując gorące spaliny do atmosfery. Późniejsze produkowały parę wodną służącą do napędu maszyn parowych. W 1892 roku po epidemii cholery władze Hamburga postanowiły wybudować spalarnię do termicznej likwidacji zakażonych przedmiotów. W kolejnych latach na terenie Niemiec powstawały spalarnie w Kolonii i w Frankfurcie. W 1903 powstała spalarnia w Danii, a w 1906 w Szwecji w Sztokholmie oraz w Belgii w Brukseli. W 1929 powstała spalarnia w Zürichu w Szwajcarii. Ogółem w roku 1908 w Europie pracowało około 210 spalarni do spalania odpadów. W latach dwudziestych XX wieku Niemcy po raz pierwszy w swoich spalarniach zastosowali ruszt mechaniczny. Masowy rozwój technologii termicznej utylizacji odpadów przy wykorzystaniu różnego rodzaju rusztów mechanicznych obserwowany jest w Europie począwszy od lat 60-tych XX wieku. W Polsce pierwsza spalarnia odpadów komunalnych powstała w Warszawie w 1912 r., zburzona w 1944 roku podczas Powstania Warszawskiego. Druga spalarnia w Polsce powstała w Poznaniu w 1929, pracując do 1954 roku. Bujny rozwój budowy spalarni został nieco przyhamowany w latach 80 tych ubiegłego wieku z uwagi na różnego rodzaju wyimaginowane przez Zielonych problemy, m.in. problem powstania dioksyn w procesach spalania substancji organicznych zawierających znaczące ilości chloru (>1%), który w warunkach ubogich w tlen i w niskich temperaturach występuje w roli prekursora katalizującego cząsteczki dioksyn. Poznanie syntezy powstania dioksyn umożliwiło likwidację warunków do ich powstawania i ograniczenie ich emisji do atmosfery. Obecnie w odniesieniu do termicznej utylizacji odpadów na świecie dominują technologie, w których wykorzystywane są komory spalania wyposażone we wszelkiego rodzaju ruszty. Technologie te bazują na instalacjach, które prawie doskonale oczyszczają gazy spalinowe z wszelkiego rodzaju, substancji

4 zanieczyszczających otoczenie. Problem polega na odpadach stałych, tzw. żużlach i popiołach. Z uwagi na zupełnie różny skład fizykochemiczny substancji palnej i mineralnej poszczególnych składników alotropowych odpadów oraz ich różne własności kinetyczne, w procesie utylizacji zawsze powstaje odpad stały, zawierający nawet 30-40% części palnych, lecz o mniejszej masie i objętości w porównaniu do odpadu pierwotnego. Instalacja rusztowa zawsze produkuje odpad, który należy składować lub poddać dalszej utylizacji. Problem ten jest dotychczas nierozwiązany i wymaga głębokiego zastanowienia się nad wyborem technologii, która będzie realizować program utylizacji odpadów bez produkcji dalszych odpadów już znacznie trudniejszych do utylizacji. W Polsce problem wyboru technologii termicznej utylizacji odpadów odżył ze wzmożoną siłą, szczególnie obecnie, kiedy wiele decydenckich ośrodków musi podjąć decyzje wyboru modeli zakładu neutralizującego odpady [1-2]. Na świecie problem wyboru technologii nie został do końca rozstrzygnięty, ponieważ każda z funkcjonujących technologii jest ciągle usprawniania. Należy przyznać, że obecnie największym powodzeniem cieszy się technologia wykorzystująca wszelkiego rodzaju kotły rusztowe. Powodzenie tej technologii bierze się głównie z najstarszej tradycji użytkowania kotłów rusztowych do spalania paliw węglowych w postaci mułów, miałów węglowych oraz wszelkiego rodzaju odpadów, które były współspalane z węglem. Jest to w dużym stopniu tradycja, która z jednej strony zmuszała do doskonalenia technik rusztowych, a z drugiej strony domagała się coraz bardziej jednorodnego pod względem granulometrycznym i fizykochemicznym paliwa. Wymóg ten mógł zostać spełniony w stosunku do paliwa węglowego. Ewolucja palenisk kotłów rusztowych spalających węgiel doprowadziła do sytuacji, gdzie strata niecałkowitego spalania w żużlu i w lotnym popiele jest bliska zeru. 4 Podobny efekt energetyczny można uzyskać dla innych jednorodnych paliw organicznych i nieorganicznych, które stanowią tzw. odpady. Podobnego efektu nie można natomiast uzyskać w odniesieniu do odpadów komunalnych, które stanowią mieszaninę różnorodnych składników, zasadniczo różniących się własnościami fizycznymi, chemicznymi i kinetycznymi zarówno substancji palnej (organicznej), jak i niepalnej (mineralnej). Różnice tych własności powodują efekt niecałkowitego spalania dochodzący nawet do 30-40% zawartości karbonizatu w żużlu i lotnym popiele. Efekt termicznej utylizacji powoduje wówczas nie likwidacje fizyczną i chemiczną odpadów, lecz wyłącznie jej zmniejszenie masowe i objętościowe. Uzyskany stały produkt termicznej utylizacji jest w dalszym ciągu odpadem, lecz jedynie o mniejszej masie. Produkt ten składa się z żużlu, popiołu i niespalonego koksiku (karbonizatu), którego zawartość przeciętnie wynosi 30-40%. Skład chemiczny odpadu jest bardzo trudny do dalszej utylizacji, może być składowany jako odpad niebezpieczny lub utylizowany jedynie w piecach cementowniczych, co po ostatnich doświadczeniach cementowni stoi pod znakiem zapytania. Wynika to ze składu chemicznego żużla i popiołu, które pogarszają własności budowlane cementu. Instalacje termicznej utylizacji odpadów wykorzystujące jedynie technologię pirolizy lub zgazowania bez zapewniania bezpośrednio następującego po nich procesu spalania gazu pirolitycznego i karbonizatu są technologiami niekorzystnymi z punktu widzenia sprawności termicznej, ekologicznej i pewności eksploatacyjnej. Błędem w dotychczas funkcjonujących instalacjach pirolizy i zgazowania był często brak odbioru metali, ceramiki, szkła i materiałów niepalnych przed wprowadzeniem odpadów do reaktorów technologicznych instalacji. Materiały te stanowiące balast termiczny są również powodem częstych awarii różnych węzłów instalacji. W dotychczas stosowanych

5 technologiach pirolizy i zgazowania, proces utylizacji kończy się z reguły na uzyskaniu gazu pirolitycznego i mieszaniny koksiku (karbonizatu) z żużlem i popiołem, które w dalszym ciągu są odpadami jedynie o mniejszej objętości, przeznaczonymi do dalszego przetwarzania lub składowania. W wyniku przerwania procesu termicznego przetwarzania na wyjściu z instalacji, uzyskane produkty należy schłodzić, z reguły przy niepełnym wykorzystaniu odebranego ciepła. Powstające w ten sposób straty energii powodują ogólnie niską globalnie sprawność termicznego przetwarzania. Sprawność ta przeciętnie wynosić może z powodów przerywania ciągłości procesu termicznego przekształcania odpadów nawet 30-40%. Realizowana w tym zakresie pirolityczna technologia jest technologią połowiczną, powodującą faktycznie jedynie straty ekonomiczne, kłopoty eksploatacyjne i formalno-prawne w zakresie obowiązujących norm i przepisów ochrony środowiska. Podsumowując dotychczasowe rozważania, konstrukcje spalarni, a szczególnie rusztów, w ostatnich latach ulegały licznym modyfikacjom i udoskonaleniom. Praktycznie do perfekcji opanowana została technologia oczyszczania gazów spalinowych ze szkodliwych substancji gazowych oraz z wszelkiego rodzaju pyłów lotnych i par metali ciężkich wydalanych z instalacji kotłowych. Pomimo, że w Europie prym w instalacjach termicznej utylizacji odpadów posiadają technologie rusztowe, to dotychczas nie został rozwiązany problem zawartości części palnych w żużlu i lotnym popiele. Problem ten jest przyczyną niskiej sprawności termicznej instalacji oraz wytwarzania odpadu niebezpiecznego w postaci żużla i popiołu o zawartości części palnych dochodzących w skrajnych przypadkach nawet do 30-40%. Produkowany jest zatem w dalszym ciągu odpad, lecz o znacznie mniejszej masie i objętości w stosunku do odpadu pierwotnego. Problem dioksyn oraz znaczna zawartość części palnych w żużlu 5 i w lotnym popiele stały się motorem rozwoju technologii pirolizy, zgazowania i plazmowego przekształcania odpadów. Efektem tych prac jest powstanie na świecie co najmniej kilkunastu technologii, które wykorzystują zjawiska pirolizy i zgazowania odpadów. Podobną sytuację obserwuje się w dziedzinie technologii plazmowych. Powstałe instalacje wykorzystujące technologie zimnej plazmy nie wyszły jednak poza skalę instalacji pilotażowych, pracujących jako instalacje doświadczalne. Są to jednak instalacje bardzo drogie, przekraczające niekiedy wielokrotnie cenowo inne typy instalacji o podobnej mocy. Dają one jednak możliwość neutralizacji szczególnie niebezpiecznych odpadów medycznych i chemicznych, ponieważ zachodzące w bardzo wysokich temperaturach (> 3000oC) reakcje analizy powodują termiczny rozpad wielocząsteczkowych wiązań do prostych cząsteczek atomowych lub ich krystalitów. W fazie gazowej powstaje z reguły gaz o cechach gazu syntezowego, a w fazie stałej następuje witryfikacja (zeszklenie) żużla i popiołu. W Europie zainstalowana jest tego typu instalacja plazmowa w Szwecji i we Francji, a pozostałe pięć instalacji pracuje w Japonii. Pozostałe instalacje plazmowe (około 20 sztuk) zainstalowane są głównie w USA i Kanadzie, i przeznaczone są przede wszystkim do termicznej neutralizacji chemicznych środków bojowych USA oraz do likwidacji azbestu i niektórych produktów pochodzących z PCV. Najwyższa wydajność masowa pracującej obecnie na świecie spalarni plazmowej nie jest wyższa od Mg/rok i nie ma obecnie żadnych przesłanek ekonomiczno-technicznych, aby mogła być wyższa. Na ten punkt widzenia wpływa również 2-3-krotnie większy koszt inwestycyjny i prawie 2- krotnie większy koszt eksploatacyjny w odniesieniu do 1 kg utylizowanych odpadów. Ponadto nie osiągnęły również pełnych zdolności technologicznych instalacje wykorzystujące w czystej formie zjawiska pirolizy i zgazowania. Wynika to

6 głównie z faktu, że instalacje wykorzystujące zjawisko pirolizy i zgazowania, są instalacjami tzw. połowicznego działania. Załatwiają one problem termicznej utylizacji odpadów tylko do początkowej fazy procesu, wytwarzając produkty, które w dalszym ciągu są odpadami. Faza gazowa gazów poprocesowych oraz faza stała popiołu i karbonizatu są bowiem w dalszym ciągu odpadami, a proces ich wytworzenia przebiega przy bardzo niskiej sprawności termicznej. Końcowy etap utylizacji fazy stałej - żużla, popiołu i karbonizatu - jest możliwy praktycznie tylko w cementowniach, które według obecnych informacji, zrezygnowały z tego typu surowca z uwagi na znaczne pogorszenie parametrów wiążących cementu [3-5]. Przewaga proponowanego rozwiązania nad obecnie stosowanymi technologiami polega na połączeniu komory obrotowej (w której przebiega kontrolowany intensywny proces suszenia, pirolizy i przygotowania bardzo dokładnie zmiksowanego paliwa gazowego i stałego o wysokiej reakcyjności) z komorą kotła fluidalnego (w której w górnej części spalają się gazy pirolityczne, a w złożu fluidalnym spala się karbonizat w kontrolowanej atmosferze chemicznej i termicznej) schemat na rys. 4. Dzięki temu zyskamy możliwość utylizacji każdego rodzaju odpadów przy maksymalnym wykorzystaniu energii chemicznej odpadów i minimalnym zagrożeniu ekologicznym dla otoczenia. Proponowana technologia zapewnia maksymalną ochronę ekologiczną atmosfery i gleby oraz optymalny efekt ekonomiczny. Wytworzona w układzie technologicznym typu K energia cieplna i elektryczna, pochodząca z termicznej przemiany odpadów jest w 42% energią pochodząca z biomasy i jest traktowana jako energia zielona. Popiół pochodzący z pirolityczno fluidalnej technologii typu K jest cennym surowcem budowlanym. W porównaniu do dotychczas uzyskiwanego popiołu w instalacjach z kotłami rusztowymi, w których zawartość części palnych jest przeważnie znacznie wyższa od 10%, popiół otrzymywany w 6 instalacji pirolityczno fluidalnej zawierać będzie mniej niż 1% części palnych. Popiół otrzymany w instalacji typu K nie będzie więc odpadem niebezpiecznym, balastowym, przeznaczonym do dalszego składowania, lecz będzie cennym surowcem użytkowym w budownictwie i drogownictwie [8-14]. Grupa docelowa odbiorców wyników projektu obejmuje wszystkie gminy Polski, na które nałożony został obowiązek utylizacji odpadów komunalnych. Potencjał aplikacji obejmuje również wszelkiego rodzaju zakłady przetwórstwa rolno spożywczego, obejmującego zakłady produkcji żywności, produkcji wszelkiego rodzaju napojów owocowo warzywnych, zakłady przetwórstwa mięsnego, drobiarskiego, karmy dla zwierząt, zakłady przemysłu gumowego, tekstylnego, produkcji PCV, produkcji tworzyw sztucznych itd. Zapotrzebowanie rynkowe tej grupy odbiorców na wyniki niniejszego projektu wynika z odpowiednich przepisów prawa, które te podmioty mają obowiązek stosować w kontekście utylizacji wytwarzanych odpadów. Reasumując, bezwzględnie należy uznać, że potencjał rynkowy wyników pracy w kontekście aktualnego stanu techniki jest ogromny. Zapewnienie, że proponowane rozwiązanie wykorzysta przynajmniej 7 patentów w dziedzinie instalacji termicznej utylizacji odpadów sprawia, że projekt wykazuje nieprawdopodobny potencjał organizacyjny. Ponadto warto zauważyć, iż Polska jest zdecydowanie rynkiem, który wykazuje ogromne zapotrzebowanie na nowoczesne rozwiązania w dziedzinie utylizacji odpadów komunalnych (obecnie funkcjonuje jedna spalarnia w Polsce). Co więcej, Polski rząd stoi przed wyzwaniem sprostania środowiskowym wymogom Unii Europejskiej poprzez wzrost udziału energii odnawialnej. Mimo to, potencjał rynku pozostaje nadal niewykorzystany. Dodatkowo na szybszy rozwój mógłby wpłynąć wzrost zainteresowania opinii publicznej, jak i świadomości zalet pirolityczno-fluidalnej technologii utylizacji odpadów, rozwiązania

7 przyjaznego środowisku i pozwalającego w znacznym stopniu obniżyć koszty inwestycyjne. 2. Metodyka badań własności fizykochemicznych i kinetycznych podstawowych odmian alotropowych odpadów komunalnych. Problem badawczy stanowi wyznaczenie i określenie podstawowych własności fizykochemicznych i kinetycznych substancji organicznej i mineralnej podstawowych składników morfologicznych odpadów komunalnych z różnych regionów Polski w celu opracowania optymalnej pod względem ekologicznym i energetycznym technologii termicznej utylizacji odpadów komunalnych. Przedstawiony poniżej sposób rozwiązania postawionego w niniejszym projekcie problemu badawczego uwzględnia najnowsze osiągnięcia w dziedzinie termicznego recyklingu odpadów komunalnych. W badaniach zwrócono szczególną uwagę na początkowe fazy procesu termicznego recyklingu odpadów komunalnych. Początkowe fazy procesu, które wywierają bezpośredni wpływ na całkowite wypalanie odpadów dotyczą procesu suszenia i termicznego rozkładu substancji organicznej i nieorganicznej odpadów. Istotne znaczenie ma tu zjawisko transformacji substancji mineralnej do fazy gazowej w trakcie procesu szybkiej pirolizy. Równie ważne są tu fizyczne przemiany pierwiastków alkalicznych tworzących związki zasadowe oraz chlor, które mają bezpośredni wpływ na tworzenie się popiołu oraz jego skłonności do tworzenia aglomeratów żużlowych oraz na intensywności korozji wysokotemperaturowej. Szybkość nagrzewu substancji odpadów oraz temperatury rozkładu w decydujący sposób wpływają na ilość i skład chemiczny wydzielonych gazów pirolitycznych oraz na stopień reaktywności karbonizatu. Projektowanie technologii instalacji dla przebiegu procesu termicznej utylizacji odpadów wymaga kompleksowych badań 7 fizykochemicznych i kinetycznych zasadniczych odmian alotropowych odpadów. Kompleksowe badania własności fizykochemicznych i kinetycznych obejmować będą główne składniki odpadów komunalnych pobranych z różnych rejonów aglomeracji Łódzkiej. Badania procesu suszenia i pirolizy odpadów zostały przeprowadzone zgodnie z polskimi normami PN-ISO :1999, PN-G-04502:1990, PN-G-04506:1999, PN-C-04333:2000 dla substancji rozdrobnionej poniżej 2 mm w warstwie ułożonej na siatce w koszyczku platynowym. Badania przeprowadzono w atmosferze redukcyjnej w obecności azotu, który przepływał przez warstwę badanej substancji z prędkością około 2 cm/s. Temperatura w strefie reakcyjnej zmieniała się od 200 o C do 1200 o C co 100ᵒC. Masa badanych próbek wyjściowych wynosiła około 10 g. Proces suszenia i szybkiej pirolizy przeprowadzony został w izotermicznych warunkach w komorze z laminarnym przepływem azotu przy szybkości nagrzewu od 100 do 5000 deg/s i czasie przebywania próbki w strefie reakcji aż do momentu ustabilizowania się masy próbki. Uzyskane podczas procesu pirolizy, karbonizaty poddane zostały procesowi spalania w komorze pionowej w atmosferze powietrza przy liczby nadmiaru n=1,25 2,5 w temperaturach otoczenia Tp= K co 100 deg. Procesowi spalania poddane są próbki karbonizatu o frakcjach d=100 μm, 200 μm,500 μm, 1000 μm, 1500 μm, 2000 μm, 3000 μm, 4000 μm, 5000 μm. Określone zostały czasy zapłonu, czasy spalania części lotnych, spalania karbonizatu i całkowity czas spalania w funkcji wielkości ziarna (d o ), temperatury otoczenia i liczby nadmiaru powietrza. Oprócz czasów trwania poszczególnych faz spalania, określone zostały temperatury spalania części lotnych (gazów pirolitycznych) i temperatury spalania ziaren karbonizatu. Ocena energetyczna poszczególnych odmian alotropowych została przeprowadzona według tych samych reguł, według których ocenia się

8 przydatność energetyczną kopalnych paliw stałych. Z energetycznego punktu widzenia, najważniejsze wskaźniki charakterystyczne paliwa to: zawartość wilgoci (W) zawartość popiołu (A) zawartość siarki(s) zawartość azotu (N) zawartość chloru (Cl) zawartość węgla (C) zawartość wodoru (H) zawartość tlenu (O) ciepło spalania (Q c ) wartość opałowa (Q i ) zawartość części lotnych (V) charakterystyczne fizyczne temperatury popiołu ( t m, t s, t t, t p ) szybkość spalania ( W sp ) gęstość rzeczywista (d a ) i pozorna (d i ) Oznaczenia przeprowadzone zostały zgodnie z PN węglową: ciepło spalania i wartość opałowa wg: PN-G-04511:1981, PN-ISO- 1928:2002, PN-G zawartość wilgoci wg: PN-G , PN-G-04511:1980 zawartość popiołu wg: PN-G ,PN-G-04511:1980, PN-ISO-1928:2002, zawartość części lotnych wg: PN- G-04516:1998 gęstość rzeczywista i pozorna wg: PN-G 04537:1998, PN-G gęstość nasypowa wg: PN-G :1973 zawartość siarki (S) wg: PN-G :1977, PN-ISO-334:1997 zawartość chloru (CL) wg: PN- ISO-587:2000 zawartość C wg: PN-G-04571:1998 zawartość H wg: PN-G-04571:1998 zawartość N wg: PN-G-04571: zawartość O wg: PN-G-04571:1998 Termiczny rozkład składników morfologicznych odpadów dla warunków powolnego nagrzewu przeprowadzono zgodnie z PN-G-04512:1980/Az1:2002 w temperaturze 815 o C w warunkach redukcyjnych z szybkością 4-5 o C/min dla próbek w stanie analitycznym (powietrzno suchym). Związki chloru, potasu i bromu powszechnie występują w substancjach organicznych różnych rodzajów odpadów. Pierwiastki te w czasie spalania odpadów mogą być poważnym problemem eksploatacyjnym w trakcie termicznej utylizacji odpadów, tworzą bowiem związki o intensywnej korozyjności wysokotemperaturowej oraz intensyfikują proces żużlowania i aglomeracji popiołów. Dlatego w trakcie spalania odpadów, własności fizykochemiczne substancji mineralnej, z której powstaje popiół posiadają bardzo ważną rolę procesową. Obecność pierwiastków takich jak Na, K, P w substancji mineralnej odpadów, a później w popiele w postaci tlenków Na 2 O, K 2 O, P 2 O 5 stwarza mnóstwo kłopotów eksploatacyjnych i jest niepożądanym produktem spalania odpadów. Skład substancji popiołów określony został zgodnie z PN w trakcie której odważka badanej substancji była przetrzymywana w zamkniętym tyglu o temperaturze 815 o C aż próbka nie uzyska stałej masy. Pozostałość, która stanowi popiół, poddana została analizie chemicznej zgodnie z PN, podczas której określono tlenki: krzemu, wapnia, potasu, glinu, tytanu, żelaza, magnezu oraz śladowe ilości innych tlenków. Całą powyższą grupę tlenków dzieli się na grupę kwaśną, która podwyższa temperaturę przemian fazowych substancji popiołu i na grupę tlenków zasadowych, które obniżają temperaturę przemian fazowych. Powszechnie dotychczas stosowane metody określania charakterystycznych fizycznych temperatur przemian fazowych popiołu sprowadzają się głównie do metody Bante-Bauna i metody JAFT. Metoda polega na przygotowaniu badanego popiołu i wykonania 6-ciu

9 walców o średnicy 2mm i wysokości 2 mm, które umieszcza się między ceramicznymi płytkami o wymiarach 25x25x3 mm. Zestaw umieszcza się w piecu laboratoryjnym o atmosferze redukcyjnej i nagrzewa się z szybkością 5 deg/min do temperatury 1600 o C. Zdjęcia wykonuje się co 20 o C. Analiza zdjęć umożliwia określenie charakterystycznych temperatur popiołu: t s temperatura spiekania t m temperatura mięknienia t t temperatura topnienia t p temperatura płynięcia W procesie termicznego recyklingu odpadów w komorze kotła, bardzo istotna sprawą z punktu widzenia organizacji procesu spalania jest rozdział substancji organicznej odpadów na lotną substancje gazów pirolitycznych i stałą substancję karbonizatu i popiołu. Wskaźnikiem pomocnym dla właściwego zaprojektowania komory spalania jest rozdział substancji wejściowej odpadów na części lotne, koksik i popiół określony wg PN-G-04512:1990/Az1:2002 w warunkach standardowych powolnego nagrzewu. Metoda ta jest jednak nieadekwatna do rzeczywistych warunków, jakim poddana jest substancja odpadów w komorze spalania kotła, gdzie występuje udar cieplny, w czasie którego szybkość nagrzewu poszczególnych cząstek odpadów wynosi od 10 2 do 10 3 deg/s. Warunki szybkiego nagrzewu całkowicie zmieniają mechanizm termicznego rozkładu zarówno substancji organicznej jak i nieorganicznej. Stwierdzenie powyższe jest przyczyną przeprowadzenia badań nad pirolizą składników odpadów w warunkach szybkiego nagrzewu w instalacji pieca rurowego w zakresie temperatur od 500 do 1200 o C w atmosferze redukcyjnej, gdzie rozdrobnione odpady o granulacji od 200 μm do 5000 μm w warunkach swobodnego opadania poddane zostały szybkiemu nagrzewowi. W zależności od granulacji, szybkość nagrzewu ziaren odpadów zawiera się w przedziale od 10 2 do 10 3 deg/s. Wyznaczenie masy próbki przed 9 pirolizą i po pirolizie pozwala określić rozdział na substancję gazów pirolitycznych i karbonizatu z popiołem. Wyznaczenie masy popiołu pozwala wyznaczyć procentowy udział poszczególnych produktów pirolizy w zależności od parametrów procesu. Wyznaczenie składu ziarnowego pozwala określić stopień fragmentaryzacji karbonizatu i przygotować dane do procesu spalania fazy stałej. Proces spalania poszczególnych komponentów odpadów komunalnych charakteryzuje się stosunkowo długim okresem fazy zapłonu, w czasie którego głównie odparowuje wilgoć. Faza ta może wynosić od 10 do 50% całkowitego czasu spalania. Po fazie odparowania w temperaturach wyższych od 170 o C następuje usuwanie tzw. oxigazów, a w temperaturach wyższych od 200 o C następuje gwałtowny termiczny rozkład substancji organicznej i częściowo nieorganicznej. W zależności od warunków termicznych nagrzewu w fazę gazową przechodzi od 50 do 93% substancji organicznej i od 10 do 50% substancji nieorganicznej. Wydzielane gazy pirolityczne częściowo spalają się bezpośrednio na wyjściu z substancji organicznej przy pomocy tlenu organicznego, a pozostała część gazów pirolitycznych przepływa w strefy bogate w tlen, gdzie ulega całkowitemu spalaniu. Pozostały karbonizat posiada znaczną reakcyjność i może być spalony w postaci pyłu lub w postaci nierozdrobnionej w złożu fluidalnym. Z uwagi na fakt, że występuje łącznie z popiołem, wygodniejszym rozwiązaniem technologicznym jest spalanie w złożu fluidalnym o kontrolowanej atmosferze, w temperaturach niższych od temperatury mięknienia popiołu. Zaprojektowanie technologii termicznej utylizacji odpadów komunalnych wymaga znajomości poszczególnych faz spalania w zależności od struktury morfologicznej, wymiarów geometrycznych, temperatury ośrodka i liczby nadmiaru powietrza. Wymaga to znajomości czasu zapłonu, czasu spalania gazów pirolitycznych, czasu spalania

10 karbonizatu i całkowitego czasu spalania ziarna odpadów oraz temperatury spalania gazów pirolitycznych i spalania koksu w zależności od granulacji i temperatury otoczenia przy stałej koncentracji tlenu. Badania przeprowadzono w komorze spalania o regulowanej temperaturze otoczenia i ustalonej koncentracji tlenu. Frakcje odpadów o określonej granulacji podawane są przez podajnik umieszczony nad komorą spalania. Proces spalania frakcji odpadów o określonej granulacji odbywał się w trakcie opadania ziaren w kontrolowanej atmosferze tlenowej. Poszczególne fazy spalania będą rejestrowane na taśmie filmowej, przesuwającej się z określoną szybkością. Znacznik czasowy pozwala rejestrować proces od momentu wprowadzenia ziaren do komory spalania. Pomiar temperatury odbywa się przy pomocy metody pirometrycznej wykorzystującej stopień zaczernienia taśmy filmowej przez promieniujące ciało. Wyniki zostały uzależnione od granulacji odpadów temperatury otoczenia i koncentracji tlenu. Zaproponowana powyżej metodologia badawcza oraz sposób realizacji całkowicie spełniają założenia celu pracy. Przyczyniają się bowiem do opracowania innowacyjnej technologii proekologicznej mającej na celu potencjalne zastosowanie w praktyce. 3. Wyniki badań fizykochemicznych i kinetycznych podstawowych składników morfologicznych odpadów komunalnych Analizy techniczne i elementarne. Analizy techniczne i elementarne składników morfologicznych odpadów przeprowadzono w Zakładzie Kotłów i Turbin ITC i MP Wydziału Mechaniczno Energetycznego Politechniki Wrocławskiej we współpracy z Zakładem Chemii i Technologii Węgli Kamiennych i Pirolitycznych Instytutu Chemii i Technologii Nafty i Węgla Politechniki Wrocławskiej. Wyniki analizy technicznej i elementarnej badanych prób 10 morfologicznych odpadów przedstawione są w (tabeli nr 1). W tabeli przedstawiono również udział gazów pirolitycznych i karbonizatu otrzymanych w trakcie termicznego rozkładu badanych substancji w temperaturze 1000 o C, w warunkach szybkiego nagrzewu ( deg/s) jakie panują w początkowej strefie paleniska kotła rusztowego. Przedstawione wyniki badań wykazały że poszczególne składniki morfologiczne znacznie różnią się miedzy sobą zarówno zawartością wilgoci (Wr), która jest w pewnym sensie cechą fizyczną danej substancji, jak również zawartością substancji mineralnej, chemicznie związanej z substancją organiczną jak i mineralną wolną przybyszową. Najwyższa zawartość substancji balastowych w postaci wilgoci charakterystyczna jest dla składników morfologicznych pochodzenia roślinnego i zwierzęcego. Substancje te charakteryzują się natomiast bardzo małą ilością substancji mineralnych chemicznie związanych z substancją organiczną. Wyjątek stanowią odpady kostne, które posiadają prawie 40-to procentowy udział substancji mineralnej chemicznie związanej z substancją organiczna. Odpady pochodzenia roślinnego i zwierzęcego posiadają bardzo dużą zdolność do wchłaniania wilgoci, co objawia się zawartością wilgoci znacznie wyżej od 20%. Najwyższa zawartość wilgoci występuje w osadach ściekowych W r =78,12%. Odpady pochodzące z folii, PCV i gumy charakteryzują się bardzo niską zawartością wilgoci. Wilgoć w ich przypadku jest wyłącznie wilgocią powierzchniową, zewnętrzną, jej zawartość nie przekracza z reguły 5%. Substancje te charakteryzują się natomiast związaną chemicznie substancją mineralną z substancją palną. Substancję mineralną stanowią różnego rodzaju wypełniacze, utwardzacze itd., które trwale są związane z pierwiastkami zaliczanymi do pierwiastków tworzących substancje palną. Stwierdzenie to znajduje odzwierciedlenie w skaldzie chemicznym karbonizatu

11 otrzymanego w trakcie procesu pirolizy. W karbonizacie oprócz pierwiastka C występują inne pierwiastki które wchodzą w skład substancji mineralnej. Pierwiastki te impregnują substancje układów krystalitów węglowych, z reguły znacznie spowalniając proces wypalania ziaren karbonizatów. Oprócz różnic w zawartości składników balastowych (A r, W r ) występują dość znaczne różnice w składzie elementarnym substancji organicznej. Zawartość pierwiastków C, H, O od których głównie zależy wartość ciepła spalania (Q c ) zmieniają się w dość szerokim zakresie, co powoduje znaczne fluktuacje w intensywności wydzielania ciepła w poszczególnych fazach procesu spalania. Jest to przyczyną występowania znacznych spiętrzeń temperaturowych w fazie spalania gazów pirolitycznych prowadzących do przekroczenia dopuszczalnych temperatur mięknienia i spiekania popiołu oraz zatapiania niespalonych części odpadów w aglomeratach substancji żużlowej. Poszczególne składniki morfologiczne odpadów komunalnych w bardzo istotny sposób różnią się między sobą zarówno składem chemicznym jak i fizyczną budową strukturalną. Różnice te są tak istotne z chemicznego i fizycznego punktu widzenia że praktycznie nie można dokonać żadnych merytorycznych porównań i szukać wspólnej platformy odniesienia. Budowa fizykochemiczna poszczególnych gatunków morfologicznych odpadów nakazuje traktować je jako odrębne strukturalnie substancje, które mają podlegać procesowi termicznego przekształcania. 3.2.Kinetyka spalania odmian alotropowych odpadów komunalnych. Badania procesu spalania prób wyodrębnionych gatunków morfologicznych odpadów przeprowadzono w temperaturze 1000 o C przy przepływie powietrza przez warstwę spalanej substancji. Badania przeprowadzono dla prób o różnej masie w równowagowych warunkach termodynamicznych. W trakcie badań określono czas odparowania wilgoci i czas nagrzania próbki do momentu w którym wydzielają się gazy pirolityczne w ilości niezbędnej do utworzenia mieszanki palnej zdolnej do zapłonu przedstawia (wykres na rys.1). O czasie zapłonu (τ z ) decyduje głównie zawartość wilgoci (W r ) i szybkość termicznego rozkładu substancji organicznej. Rys. 1. Czas zapłonu w zależności od masy próbki. Czas zapłonu (τ z ) ustalonej masy próbki, rośnie proporcjonalnie ze wzrostem zawartości wilgoci (W r ) w próbie wejściowej. Czas wydzielania i spalania gazów pirolitycznych (τ v ) przedstawiony jest na wykresie (rys. nr 2). Najkrótszy czas wydzielania i spalania gazów pirolitycznych charakterystyczny jest dla odpadów pochodzenia zwierzęcego. Gazy pirolityczne wydzielają się w sposób wybuchowy, powodując eksplozję substancji mięsnej. 11

12 Tabela nr 1. Wyniki analizy technicznej i elementarnej głównych składników odpadów komunalnych. Lp. Rodzaj substancji A [%] V r [%] W r [%] Qi [KJ/kg] A r [%] C r [%] H r [%] O r [ %] N r [%] S r [%] Cl r [%] K r [%] M r [%] V d K d C d k 1. Odpady z drewna budowlanego 0,54 65,60 20, ,40 40,80 4,80 33,35 0,20 0,10 0,35 14,0 79,6 82,00 17,06 96,48 2. Odpady papierowe (makulatura) 19,27 59,88 23, ,0 28,80 4,1 29,1 0,3 0,2 0,10 9, ,97 2,76 100,00 3. Odpady z kartonów 5,42 65,51 20, ,14 34,67 4,1 31,7 0,2 0,1 0,23 5,23 70,74 88,26 6,55 100,00 4. Odpady z tworzyw sztucznych 3,52 69,74 1, ,48 60,88 8,74 21,03 1,01 1,28 2,26 25,44 95,18 70,69 25,79 94,68 5. Odpady z PCV 7,51 64,25 0, ,26 38,06 5,04 43,90 0,39 0,73 4,66 27,48 91,99 64,83 27,86 78,37 6. Odpady organiczne pochodzenia roślinnego 7,00 57,39 28, ,01 40,60 4,42 21,00 0,30 0,01 0,01 9,15 66,54 80,27 12,79 100,00 7. Odpady organiczne mięsne 7,50 55,61 35, ,82 35,72 5,94 17,00 0,72 0,08 0,00 3,85 59,46 86,51 5,99 100,00 8. Odpady organiczne kostne 41,90 30,45 4, ,16 31,15 4,35 18,35 0,37 0,28 0,50 24,55 55,00 32,00 26,10 56,42 9. Odpady tekstylne 3,80 69,05 16, ,18 52,68 4,95 21,45 0,86 0,42 0,18 11,45 80,54 82,48 13,72 94, Odpady skórzane 2,95 41,42 23, ,26 31,87 4,82 35,92 0,96 0,68 0,01 32,84 74,26 54,15 42,90 86, Odpady gumowe 13,64 35,07 5, ,84 64,15 4,94 11,05 0,18 0,75 0,15 46,15 81,22 37,28 49,08 73, Brykiety z drewna 0,75 72,00 11, ,66 42,64 5,16 38,49 0,27 0,16 0,78 15,30 87,50 81,90 17,35 100, Pelety z drewna 0,75 73,84 9, ,68 43,95 5,89 38,59 0,29 0,17 0,81 15,86 89,70 81,70 17,55 100, Osady ściekowe 43,05 8,89 78, ,42 6,14 1,87 3,59 0,55 0,16 0,15 3,57 12,46 40,63 16,31 94,25 W podobny sposób przebiega proces współspalana i spalania gazów pirolitycznych z peletów i brykietów pochodzących z tkanki roślinnej. Proces wydzielania i spalania gazów pirolitycznych odpadów mięsnych-poza kostnymi-peletów, brykietów pochodzenia roślinnego oraz odpadów pochodzenia roślinnego jest 3 4 krotnie krótszy od czasu spalania gazów pirolitycznych pochodzących z odpadów gumowych, PCV i odpadów kostnych. W zależności od zawartości wodoru w substancji organicznej w wytworzonym froncie spalania gazów pirolitycznych temperatura osiąga poziom o C. W zależności od gatunku morfologicznego odpadów, w fazę gazową przechodzi od 50 do 95% substancji organicznej. Największy udział substancji gazowej występuje w przypadku utylizacji odpadów mięsnych. Rys. 2. Czas wydzielania i spalania gazów pirolitycznych w zależności od masy próbki. 12

13 Wykres na (rys. 3) przedstawia czas wypalania pozostałości po odgazowaniu spalanej substancji morfologicznej odpadów. Najkrótszy czas spalania pozostałości po odgazowaniu charakterystyczny jest dla peletów, brykietów pochodzenia roślinnego, makulatury, odpadów pochodzenia roślinnego i zwierzęcego, odpadów tekstylnych i osadów ściekowych. 2-3 krotnie dłuższy czas wypalania karbonizatu, charakterystyczny jest dla odpadów pochodzących z drewna budowlanego oraz z tworzyw sztucznych. Najdłuższy czas wypalania charakterystyczny jest dla karbonizatów pochodzących z odpadów PCV, gumy, kości i skóry. Czas ten jest przeciętnie 5-6 krotnie dłuższy od czasów wypalania karbonizatów pochodzących z odpadów tkanki zwierzęcej i odpadów roślinnych. Całkowity czas spalania (τ c ) substancji badanych odpadów w zależności od ich masy przedstawia wykres na (rys. nr 4). Rys. 4. Całkowity czas spalania w zależności od masy próbki. Rys. 3. Czas spalania pozostałości po odgazowanie w zależności od masy próbki. Najkrótszy całkowity czas wypalania substancji odpadów charakterystyczny jest dla peletów i brykietów pochodzących z substancji roślinnych. Całkowity czas wypalania Formowanych Alternatywnych Paliw Energetycznych (FAPE) pochodzących z organicznych substancji roślinnych jest 4-5 krotnie krótszy od czasu spalania odpadów pochodzących ze skóry, PCV i gumy. Odpady pochodzące z tworzyw sztucznych i osady ściekowe spalają się około 1,5 raza dłużej od peletów i brykietów pochodzenia roślinnego. W zakresie określonego rozdrobnienia, całkowity lecz inny czas wypalania (τ c ) identycznych masowo, lecz niekiedy różniących się geometrycznie, różnych struktur morfologicznych odpadów powoduje dezorganizacje procesu spalania warstwy wsadu na ruszcie- niezależnie od jego typu. Jednorodna początkowa warstwa paliwa na ruszcie posiadająca jednakowy opór hydrauliczny dla przepływającego przez dane strefy 13

14 powietrza, staje się z powodu różnych szybkości wypalania poszczególnych gatunków morfologicznych, warstwą dziurawą o strukturze sera szwajcarskiego. 4. Charakterystyki fizyczne popiołu pochodzące z różnych rodzajów morfologicznych odpadów. Zachowanie się substancji popiołu podczas procesu spalania określają charakterystyczne temperatury jakie przechodzi popiół w trakcie nagrzewu. Niezależnie od metody wyznaczania charakterystyk temperatur, oznaczenie sprowadza się do określenia: temperatury topnienia (t t ), temperatury płynięcia (t p ). temperatury spiekania (t s ), temperatury mięknienia (t m ), temperatury topnienia (t t ), Charakterystyczne temperatury popiołu badanych struktur morfologicznych odpadów przedstawione zostały w (tabeli nr 2). Tabela nr 2. Fizyczne temperatury popiołu. Lp Rodzaj substancji Pelety, brykiety, kęsy z pospółki drzew liściastych i iglastych Drewno odpadowe poużytkowemeblowe, stolarskie Odpady z drewna budowlanego Odpady papierowe Odpady kartonowe Odpady z tworzyw sztucznych Temperatura spiekania ts [ o C] Temperatura mięknienia tm [ o C] Temperatura topliwości tt [ o C] Temperatura płynięcia tp [ o C] Odpady z PCV Odpady organiczne pochodzenia roślinnego Odpady organiczne mięsne Odpady organiczne kostne Odpady tekstylne Odpady skórzane Odpady gumowe Osad ściekowy Charakterystyczne temperatury popiołu są ściśle uzależnione od składu chemicznego substancji mineralnej spalanych struktur morfologicznych odpadów. Temperatury popiołu ulegają szczególnemu obniżeniu 14 wówczas, gdy w substancji mineralnej występują duże ilości Na i K. Ponieważ odpady pochodzenia roślinnego i zwierzęcego zawierają największą ilość Na i K, dlatego charakterystyczne temperatury ich popiołów są niskie. Temperatura mięknienia popiołów pochodzenia roślinnego wynosi około 710 o C, odpadów mięsnych kostnych 890 o C, a odpadów kostnych 950 o C. Najwyższe temperatury mięknienia charakterystyczne są dla odpadów pochodzących z tworzyw sztucznych, PCV i gumy. Temperatura mięknienia popiołu pochodzącego z tworzyw sztucznych wynosi około 1300 o C. Popiół pochodzący z drewna, makulatury, tekstyliów i skór posiada temperaturę mięknienia w przedziale o C. Istotne znaczenie mają również temperatury topnienia i płynięcia popiołu odpadów roślinnych i zwierzęcych których wartości zawierają się w przedziale o C. Niskie wartości tych temperatur szczególnie w przypadku odpadów kostnych powodują istotną dezorganizację procesu spalania odpadów o niskiej reakcyjności. Powstaje bowiem sytuacja gdy płynna substancja popiołu pochodzącego ze spalania odpadów kostnych zatapia niespalony karbonizat pochodzący np. z odpadów gumowych czy tekstylnych. Oblepione płynnym popiołem ziarna karbonizatów są zatopione wewnątrz powłoki żużlowej. Proces spalania zostaje przerwany, a wewnątrz powstaje niedopał w postaci niespalonego karbonizatu, co bardzo dokładnie obrazują zdjęcia fragmentu żużla pobranego z pod rusztu kotła rusztowego spalarni odpadów w Warszawie, co przedstawia zdjęcie na (rys.5). Rys. 5. Niedopał powstały w żużlu.

15 Różnorodność przebiegających zjawisk podczas spalania poszczególnych struktur morfologicznych oraz ich przesunięcia czasowe powodują nakładanie się niekorzystnych zjawisk, które prowadzą do powstania straty niecałkowitego spalania (S n ) w żużlu i w lotnym popiele oraz wzrostu straty kominowej (S k ) spowodowanej niekontrolowanym przepływem fałszywego powietrza przez te fragmenty rusztu w których nastąpiło wcześniejsze wypalenie najbardziej reakcyjnych odmian morfologicznych odpadów. 5. Temperatura spalania gazów pirolitycznych. Proces wydzielania i spalania gazów pirolitycznych odpadów podawanych do kotłów rusztowych odbywa się w przedniej części kotła pod przednim sklepieniem, gdzie następuje proces suszenia i odgazowania. Przestrzeń na ruszcie w której odbywa się ten proces jest uzależniona od rodzaju odmiany morfologicznej odpadów, które charakteryzują się odmiennymi czasami suszenia i spalania wydzielanych gazów pirolitycznych. Różnice te dokładnie charakteryzują zależności przedstawione na wykresach (rys. 1 i 2). Z przedstawionej na wykresie rys. 6 zależności określającej temperaturę spalania gazów pirolitycznych w zależności od czasu trwania procesu, wynika że w tym samym czasie i w tym samym miejscu na ruszcie będą się spalać gazy pirolityczne pochodzące z różnych odmian morfologicznych odpadów posiadających różny skład chemiczny substancji mineralnej. W najkrótszym czasie w początkowej strefie rusztu będą spalać się gazy pirolityczne pochodzące z tworzyw sztucznych i odpadów kostnych. Należy tu jednak zaznaczyć że temperatura spalania gazów pirolitycznych pochodzących z tworzyw sztucznych jest o około 200 o C wyższa od temperatury spalania gazów pirolitycznych pochodzących z odgazowania kości. Temperatura spalania 15 gazów pirolitycznych pochodzących z tworzyw sztucznych wynosi około 1600 o C, a pochodzących z odpadów kostnych wynosi około 1400 o C. Następna dalsza prawie wyodrębniona przestrzeń na ruszcie jest przyporządkowana strefie spalania gazów pirolitycznych pochodzących z odpadów gumowych, odpadów PCV, peletów i drewna odpadowego. Najniższą temperaturę spalania rzędu 1410 o C osiągają gazy pochodzące z gumy. Temperatura spalania gazów pirolitycznych pochodzących z PCV wynosi około 1480 o C, a drewna około 1550 o C. Rys. 6. Temperatury spalania gazów pirolitycznych badanych prób. Trzecia przestrzeń rusztu zajmuje strefa w której spalają się gazy pirolityczne pochodzące z odpadów tekstylnych, makulatury, drewna budowlanego i odpadów ściekowych. Proces spalania gazów pirolitycznych pochodzących z różnych odmian morfologicznych spalających się w danej strefie rusztu jest jednorodnym procesem przebiegającym w mieszaninie gazów pirolitycznych pochodzących z całej grupy

16 odpadów znajdujących się w danej przestrzeni rusztu. Uzyskane wyniki badań pozwalają stwierdzić że podczas procesu spalania odpadów komunalnych w kotłach rusztowych, na ruszcie występują wyraźne trzy strefy spalania gazów pirolitycznych pochodzących z wyodrębnionych odmian morfologicznych odpadów. Strefy te są przesunięte w czasie i w przestrzeni. Nie jest to jednak podział sztywny, gdyż jest on ściśle uzależniony od zawartości wilgoci (W r ) oraz stopnia rozdrobnienia geometrycznego i masowego. Przedstawione na wykresie rys. 6 zależności pokazują jakie mogą wystąpić temperatury w danej strefie rusztu i jakie konsekwencje mogą powodować w pozostałej części substancji organicznej i nieorganicznej odpadów. Z przedstawionej na rys. 6zależności wyraźnie widać że równoczesne przemiany termiczne substancji dwóch, lub większej ilości odmian morfologicznych odpadów o odmiennych charakterystykach fizykochemicznych i kinetycznych mogą powodować trudne do przewidzenia skutki, przeważnie o charakterze negatywnym. Negatywnym skutkiem takiego procesu spalania odpadów komunalnych na ruszcie jest zatapianie substancji palnej odpadów przez stopiona substancję mineralną popiołu. Wynika to z faktu że przemianę termiczną na ruszcie przechodzi jednocześnie odpad gumowy i odpad kostny. Temperatura spalania gazów pirolitycznych w tej strefie rusztu wynosi odpowiednio około 1430 o C i 1590 o C i jest znacznie większa od temperatury mięknienia (t m ) i temperatury płynięcia (t p =900 o C) popiołu pochodzącego z odpadów kostnych, co przedstawia tabela nr 2. W tym samym czasie powstaje karbonizat po odgazowaniu odpadów gumowych, którego czas wypalania (τ k ) jest znacznie dłuższy od czasu spalania gazów pirolitycznych, co przedstawia wykres na rys. 3. Jeżeli ziarno karbonizatu pochodzące z gumy znajdzie się w pobliżu płynnej fazy popiołu pochodzącego z kości, wówczas zostanie zatopione wewnątrz powłoki żużla. Proces spalania 16 zostaje przerwany i powstaje niedopał w postaci karbonizatu składającego się w znacznej mierze z pierwiastka C. Zjawisko to obrazują zdjęcia przedstawione na rys. 5. Powyższe zdjęcia przedstawiają fragment żużla otrzymanego ze spalania mieszaniny odpadów komunalnych w kotle rusztowym spalarni na Targówku w Warszawie. Przedstawiony obraz pokazuje typowy przykład historii spalania mieszaniny odpadów komunalnych na ruszcie. 6. W jaki sposób można uzyskać całkowite, zupełne oraz ekologiczne spalania odpadów komunalnych. Przedstawione wyniki badań fizykochemicznych i kinetycznych wybranych- (podstawowych) odmian morfologicznych odpadów w sposób jednoznaczny wykazały że nie można skutecznie prowadzić procesu termicznej utylizacji odpadów komunalnych stanowiących (dowolną) mieszankę różnych struktur morfologicznych jednocześnie w czasie ciągłego procesu przebiegającego w jednej przestrzeni reakcyjnej. Nakładanie się procesów termicznych przebiegających w fazie gazowej i w fazie stałej, powoduje powstanie niekorzystnych zjawisk, prowadzących do powstania z jednej strony strat w postaci niecałkowitego spalania fazy stałej karbonizatu-, a z drugiej strony powstania niekorzystnych z ekologicznego punktu widzenia, związków gazowych w postaci tlenków azotu (NO x ), tlenków siarki (SO x ) oraz chlorowodoru (HCl). Zjawisk tych, spalając odpady w kotłach rusztowych nie da się uniknąć ponieważ są to charakterystyczne własności technologiczne dla tego typu układów technologicznych. Rozwiązaniem problemu jest układ ciągłego procesu termicznego, rozdzielonego jednocześnie w czasie i w przestrzeni. Układ taki powstaje wówczas, gdy proces suszenia i odgazowania powstaje w przestrzeni o atmosferze redukcyjnej w której temperatura jest niższa od temperatury spiekania popiołu (t s ). Powstałe w tej

17 części procesu gazy pirolityczne odprowadzone są do przestrzeni komory spalania przy kontrolowanej atmosferze reakcyjnej w określonym reżimie temperaturowym, tak aby ilość powstałych NO x termicznych była minimalna. W strefie suszenia i pirolizy powinna być również dokonana redukcja siarki i chloru zawartych w odpadach przy pomocy dodatkowo wprowadzonych związków wapnia (CaCO 3 ). Powstały w trakcie odgazowania popiół i karbonizat powinien bezpośrednio być podany do tej części komory spalania w której oddzielnie od gazów pirolitycznych, w ściśle określonej temperaturze przestrzeni reakcyjnej poniżej temperatury spiekania (t s ) popiołuzostanie całkowicie spalany. Układ technologiczny gdzie proces termicznej utylizacji jest ciągły i przebiega przy ściśle określonych parametrach termodynamicznych i w określonej atmosferze gazowej w poszczególnych fazach procesu termicznej przemiany daje możliwość całkowitego, zupełnego i w pełni ekologicznego procesu spalania. Układ taki zapewnia osiągnięcie maksymalnej sprawności termicznej oraz optymalnego bezpieczeństwa ekologicznego. Tak zaprojektowany układ termicznej utylizacji odpadów komunalnych zrealizowany jest w układzie pirolityczno fluidalnym typu K chronionym patentami i zgłoszeniami patentowymi [8-14]. Schemat technologiczny instalacji typu K przedstawiono na (rys. nr 7). Instalacja składa się z układu przygotowania i podawania odpadów wraz z układem podawania katalizatora wapniowego. Proces suszenia i odgazowania inicjowany i podtrzymywany jest przez płomień paliwa wspomagającego, którego ilość jest ściśle uzależniona od zawartości wilgoci w podawanych odpadach, oraz zależy od ciepła rozkładu utylizowanej substancji. Wydzielany w trakcie odgazowania chlor i tlenki siarki neutralizowane są w tej fazie procesu przez gazowe tlenki wapnia powstałe w wyniku termicznego rozkładu CaCO 3. Temperatura w obrotowej 17 komorze suszenia i pirolizy jest ściśle kontrolowana i jest zawsze mniejsza od temperatury spiekania. W komorze obrotowej następuje rozkład substancji odpadów na fazę gazów pirolitycznych i stałą fazę karbonizatu. Gazy pirolityczne odprowadzane są do komory fluidalnej z którą bezpośrednio łączy się komora fluidalna. Gazy pirolityczne spalają się w górnej części komory fluidalnej w obecności powietrza doprowadzonego w kilku strefach tak aby temperatura płomienia nie była wyższa od o C. Karbonizat i popiół odprowadzane są do złoża fluidalnego, które zamyka komorę fluidalną od spodu. Karbonizat, popiół i materiał inertny stanowi substancję złoża fluidalnego. Karbonizat w złożu spala się w określonej atmosferze tlenowej przy określonej temperaturze kontrolowanej przez skład gazu fluidyzacyjnego i koncentrację karbonizatu w złożu. Warunki termiczne są zawsze takie, aby temperatura złoża nie przekroczyła temperatury mięknienia popiołu (t m ). Gazy spalinowe na wylocie z komory fluidalnej i komory separacji są częściowo oczyszczone z lotnego popiołu, a całkowity proces dopalania ewentualnie niespalonych gazów palnych i lotnego koksiku realizowany jest w strefie popłomiennej, płomienia olejowego lub gazowego palnika umieszczonego w komorze dopalania. W górnej części komory dopalania w strefie temperatur o C wdmuchiwany jest w postaci fazy stałej mocznik, który daje możliwość zmniejszenia zawartości NO x w spalinach na wyjściu z instalacji kotłowej poniżej 100mg/um 3. Osiągnięte efekty termicznej utylizacji odpadów metodami pierwotnymi podczas procesu spalania w instalacji kotłowej praktycznie w całym zakresie spełniają normy emisji w fazie gazowej i stałej określone przez odpowiednie dyrektywy unijne i rozporządzenia krajowe. Instalacja termicznego recyklingu typu K spełnia wysokie standardy w zakresie dyspozycyjności i niezawodności. W razie braku odpadów instalacja ma możliwość płynnego przejścia na zasilanie paliwem

18 alternatywnym i na odwrót. Powyższe wymogi spełnia pirolityczno fluidalna instalacja przedstawiona na (rys. 7). W zależności od rodzaju zastosowanego paliwa instalacja może zostać rozszerzona o: układ sortowania odpadów (istotny w przypadku energetycznego recyklingu odpadów komunalnych, układ rozdrobnienia kości i elementów ponadwymiarowych. 7. Wnioski. Technologia termicznej utylizacji odpadów metoda typu K jest technologia, która realizuje proces utylizacji odpadów z optymalną sprawnością termicznej przemiany. Wykorzystanie wytworzonej energii cieplnej w układzie kogeneracji na energie elektryczną ewentualnie na chłód pozwala uzyskać optymalne efekty ekonomiczne w zakresie gospodarki energią. Utylizacja odpadów pozwala uzyskać dodatkowe efekty ekonomiczne z tytułu likwidacji odpadów, a sprzedaż stałych produktów utylizacji w postaci popiołów jako surowca do produkcji materiałów budowlanych zwiększa efekty ekonomiczne w wyniku zastosowania technologii K. Dodatkowe efekty ekonomiczne mogą wynikać z tytułu sprzedaży limitów CO 2, pochodzącego ze spalania biomasy pochodzącej z OZE. Energetyka i Recykling Odpadów (ERO) realizujący technologię termicznej utylizacji odpadów jest technologią dynamiczną, ulegająca w czasie modernizacjom i ulepszeniom. Proces utylizacji dostosowujący się do wymogów BAT ma trwały i ciągły charakter. Istnieje bowiem możliwość znalezienia jeszcze lepszych i efektywniejszych metod ochrony środowiska poprzez zastosowanie jeszcze w większym stopniu zasady zapobiegania powstawania zanieczyszczeń u źródła zamiast inwestowanie w bardzo kosztowne urządzenia ograniczające emisję na wyjściu z instalacji. Wobec powyższych stwierdzeń zaproponowano aby uznać parametry emisyjne przedstawione w opisie technologicznym technologii typu K jako parametry charakteryzujące najlepsza dostępną technikę dla tej konkretnej technologii termicznej utylizacji odpadów. Rys. 7. Schemat pirolityczno fluidalnej instalacji typu K do energetycznego recyklingu odpadów komunalnych, odpadów zwierzęcych, agro, paliw alternatywnych oraz biomasy. 18