Odzysk energii z odpadów pochodzących ze stacji demontażu pojazdów przy wykorzystaniu pirolizy niskotemperaturowej

Transkrypt

1 Łukasz Grabowski 1, Marta Wołosiewicz 2, Sebartian Sas 3, Piotr Kasprzyk 4 AGH w Krakowie Odzysk energii z odpadów pochodzących ze stacji demontażu pojazdów przy wykorzystaniu pirolizy niskotemperaturowej Wstęp Piroliza jest termicznym przekształcaniem materii organicznej w warunkach braku obecności tlenu, do postaci ciekłej, stałej i gazowej. Aby prowadzić proces pirolizy wymagane jest zewnętrzne źródło ciepła, którego dostarczenie jest niezbędne ze względu na utrzymanie wymaganej temperatury w komorze reakcyjnej. Proces może się odbywać poprzez spalanie wytwarzanego gazu pirolitycznego lub gazu naturalnego w piecu [1]. Obecnie najczęściej stosuje się szybką pirolizę, która zwiększa wydajność produkcji. Polega ona na szybkim tempie ogrzewania i wyższej temperaturze niż w powolnej pirolizie (nie uwalnia ciepła). Idealne warunki do szybkiej pirolizy to gwałtowne zmiany temperatury (205 0 C na sekundę oraz temperatury przekraczające C) [2]. Rodzaj pirolizy Produkty uzyskiwane Tabela 1. Proces pirolizy i otrzymane produkty. Frakcja olejowa Niskotemperaturowa ( C) Frakcja gazowa Wysokotemperaturowa ( C) Frakcja stała Produkt końcowy Energia elektryczna Energia cieplna Źródło [3] Skład i ilość produktów pirolizy zależy od rodzaju odpadów, ich właściwości fizykochemicznych oraz od temperatury procesu. Podczas procesu pirolizy odpady zostają przekształcone w: gaz pirolityczny zawierający głównie: wodór, metan, etan i jego homologi, tlenek i dwutlenek węgla, oraz inne związki takie jak: siarkowodór, amoniak, chlorowodór, fluorowodór, koksik pirolityczny fazę stałą zawierającą węgiel oraz metale i inne substancje inertne, fazę ciekłą zawierającą mieszaninę olejów, smół oraz wody i rozpuszczonych w niej prostych alde hydów, alkoholi i kwasów organicznych [4]. Zużyte opony samochodowe na świecie są wciąż dużym problemem dla środowiska, szacuje się że powstaje ich rocznie ok. 1 mld Mg, a roczna ilość zużytych opon w Polsce szacowana jest na ok tys. Mg [5]. W publikacji zostaną zaprezentowane potencjalne kierunki zagospodarowania frakcji olejowej i gazowej pochodzącej z pirolizy zużytych opon samochodowych w procesie niskotemperaturowym. 1 Łukasz Grabowski, mgr, AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Górnictwa i Geoinzynierii, Katedra Ekonomiki i Zarządzania w Przemyśle, lukgrabo@agh.edu.pl 2 Marta Wołosiewicz, mgr inż., AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Górnictwa i Geoinzynierii, Katedra Inżynierii Środowiska i Przeróbki Surowców 3 Sebastian Sas, mgr inż., AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Górnictwa i Geoinzynierii, Katedra Górnictwa Podziemnego 4 Piotr Kasprzyk, mgr inż., AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Górnictwa i Geoinzynierii, Katedra Inżynierii Środowiska i Przeróbki Surowców 8896

2 Źródło: [6] Tabela 2. Główne komponenty opon samochodowych i ciężarowych (w %). Materiał Samochód Ciężarówka Kauczuk/elastomery Sadza i krzemionka Metal Włókno 6 - Tlenek cynkowy 1 2 Siarka 1 1 Dodatki 8 - Kaloryczność i inne parametry zależą od pochodzenia opon, współczynnika zużycia (pozostała guma), materiału wykorzystanego w produkcji, wyglądu i różnią się one ze względu na kraj pochodzenia i producenta [7]. Zużyte opony ze względu na swą ilość i trwałość (nie ulegają degradacji w środowisku naturalnym nawet przez 100 lat) stanowią odpad uciążliwy i zostały zakwalifikowane do kategorii odpadów, które powinny być wykorzystywane przemysłowo [8]. Źródło: [9] Tabela 3. Obowiązujące poziomy odzysku i recyklingu opon Lata Odzysk w [%] Recykling w [%] W celu racjonalnej gospodarki oponami używanymi niezbędne jest zidentyfikowanie różnych ich kategorii. Można wyróżnić trzy kategorie opon używanych [8]: Opony częściowo zużyte, które można legalnie użyć zgodnie z ich pierwotnym przeznaczeniem (tzn. mają zachowaną określoną minimalną głębokość rzeźby bieżnika, która w większości krajów w tym także w Polsce wynosi 1,6 mm); Opony używane nadające się do bieżnikowania. Opon tych nie można ponownie użyć bez naprawy, ze względu na mniejszą od wymaganej głębokość rzeźby bieżnika. Można je natomiast poddać bieżnikowaniu, czyli trwałemu przyłączeniu nowego bieżnika w procesie wulkanizacji (pod warunkiem, że mają nieuszkodzony karkas); Opony zużyte, tzn. takie, które nie nadają się do używania zgodnie z pierwotnym przeznaczeniem ani do bieżnikowania. Może to być spowodowane wiekiem opony lub uszkodzeniem karkasu. Takie opony można poddać recyklingowi lub zastosować jako paliwo (w całości lub po rozdrobnieniu). Zbiórka opon używanych jest utrudniona ze względu na ich duże rozproszenie na terenie kraju. Ponadto w Polsce brak jest regulacji prawnych obligujących użytkownika do dostarczania zużytych opon do punktów zbiorczych. Trudny do zaakceptowania jest również fakt, że to użytkownik powinien płacić zbierającemu, a nie odwrotnie. Koszt transportu opon używanych jest znaczny, ze względu na ich dużą objętość w stosunku do masy. Zbieranie i sortowanie mogą być dokonywane w następujących miejscach [10]: państwowe, komunalne i prywatne jednostki skupujące i przyjmujące odpady gumowe, stacje demontażu pojazdów, stacje obsługi samochodów dokonujące wymiany opon, punkty sprzedaży nowych opon, przyjmujące stare opony na wymianę, duże przedsiębiorstwa transportowe, bieżnikownie. 8897

3 Działalność zakładu recyklingu pojazdów samochodowych musi być prowadzona w oparciu o obowiązujące akty prawne w randze ustaw i rozporządzenia. Do podstawowych dokumentów regulujących gospodarkę PWE można zaliczyć Dyrektywa z dnia 18 września 2000 r. 2000/53/WE Parlamentu Europejskiego i Rady w sprawie pojazdów wycofanych z eksploatacji (Dz. Urz. WE L 269 z , z późn. zm.). Stanowi ona podstawę prawną do stworzenia przez wszystkie państwa członkowskie ujednoliconego systemu gospodarowania odpadami: zmniejszenia ich liczby, zwiększenia liczby materiałów podlegających ponownemu użyciu i recyklingowi. Dokument ten określa prawa i obowiązki producentów pojazdów, użytkowników oraz zakładów prowadzących demontaż i recykling [11]. Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Gospodarki i Pracy dotyczącym minimalnych wymagań dla stacji demontażu oraz sposobu demontażu PWE stacja dzieli się na następujące sektory [11]: Sektor I przyjmowanie pojazdów wycofanych z eksploatacji, Sektor II magazynowanie przyjętych PWE, Sektor III usuwanie z pojazdów elementów i substancji niebezpiecznych w tym płynów, Sektor IV demontaż z PWE przedmiotów wyposażenia i części nadających się do ponownego użycia, w tym odpadów, Sektor V magazynowanie części wymontowanych z PWE przeznaczonych do ponownego użycia, Sektor VI magazynowanie odpadów pochodzących z demontażu PWE. Stacja demontażu PWE powinna mieć następujące zabezpieczenia ekologiczne: szczelne nawierzchnie w miejscach gdzie może nastąpić wyciek substancji niebezpiecznych, szczelne krawężniki, oczyszczalnia ścieków, separator koalescencyjny i zasobnik sorbentów. Do podstawowych zadań stacji należy [11]: przyjęcie pojazdu od ostatniego właściciela i wydanie odpowiedniego zaświadczenia, testowanie zespołów mechanicznych przeznaczonych do ponownego użycia, usunięcie części zagrażających bezpieczeństwu pracowników (poduszki powietrzne, pirotechniczne napinacze pasów) a następnie usunięcie płynów, części i materiałów stwarzających zagrożenie dla środowiska i przekazanie ich do zakładów zajmujących się unieszkodliwianiem, wymontowanie pozostałych części i zespołów przeznaczonych do sprzedaży, ostateczny demontaż materiałów i ich zagospodarowanie. Stacja powinna być wyposażona w specjalistyczne urządzenia techniczne takie jak: waga samochodowa, obrotnica, podnośnik samochodowy oraz wózek widłowy. Ponadto w skład wyposażenia stacji powinny wchodzić; urządzenia do osuszania demontowanych pojazdów i gromadzenia odzyskanych płynów: paliw, olejów, płynów chłodniczych, hamulcowych, płynów z amortyzatorów oraz gazów ze sprężyn gazowych i urządzeń klimatyzacyjnych. W skład wyposażenia stacji zaliczyć można : przecinaki do blachy oraz nożyce, urządzenia do demontażu szyb, urządzenia do testowania części przeznaczonych do sprzedaży jako zamienne, rolki napędowe, urządzenia do demontażu złomowanych kół samochodowych, urządzenia do ekologicznego mycia części przeznaczonych do sprzedaży oraz inny drobny sprzęt warsztatowy [9]. Opony zużyte nienadające się do bieżnikowania są odpadem, który należy zagospodarować w sposób bezpieczny dla środowiska. Wobec wprowadzonego już zakazu składowania i zakopywania całych zużytych opon, a także ich części, stosuje się: recykling produktowy, recykling materiałowy, pirolizę, odzysk energii. Dodatkowo, w trakcie rozbiórki pojazdów pojawiają się znaczne ilości odpadów plastikowych, które również stanowią grupę odpadów wysokoenergetycznych. W artykule autorzy skupią się na procesie pirolizy niskotemperturowej [10]. Piroliza Niskotemperaturowa Proces pirolizy niskotemperaturowej odbywa się w temperaturze C z ograniczonym dostępem tlenu, w obecności katalizatora. W wyniku pirolizy niskotemperaturowej powstają głównie oleje, które mogą być wykorzystane do produkcji lakierów, benzyny oraz olejów napędowych. Do pirolizy wykorzystuje się następujące urządzenia [12]: obrotowe piece pirolityczne, 8898

4 piece ogrzewane przeponowo, piece z ruchomym złożem, piece ogrzewane bezpośrednio. Koszt przetworzenia 1 Mg opon na paliwo wynosi 53 euro, na sadzę pirolityczną i węgiel aktywny odpowiednio 40 i 58 euro. Zwrot kosztów inwestycyjnych następuje w ciągu 3 4 lat [12]. Rys 1. Schemat instalacji niskotemperaturowej Dagas NT Źródło: [13]. Najbardziej pożądanym produktem pirolizy odpadów jest frakcja olejowa, która poddana dalszej przeróbce może stanowić paliwo ciekłe. W trakcie pirolizy powstaje również gaz palny, który jest zwykle wykorzystywany na potrzeby energetyczne procesu [4]. Tabela 4. Wybrane właściwości fizykochemiczne oleju popirolitycznego o składzie oleju rzepakowego 1:1 oraz wymagania nomy na oleje ciepłownicze Parametry Jednostka Oznaczenie Wymagania Lepkość kinetyczna przy 50oC, max. przy 100oC, max. mm2/s 9,51 3,50 C1 C2 C3 Gęstość w 15oC, max. kg/m3 927, Temp. krzepnięcia oc Zawartość siarki, max. % (m/m) 0, Temp. zapłonu, min (tygiel zamknięty) Źródło: [14] oc 92 (t.o) 62 Wnioski Zastosowanie technologii pirolizy niskotemperaturowej do przerobu odpadów po demontażu pojazdów samochodowych może przynieść szereg korzyści środowiskowych, m.in.: wykorzystanie produktów węglowodorowych z instalacji przyczynia się do oszczędności surowców naturalnych, możliwość wykorzystania odpadów energetycznych o niskiej jakości, trudnych do zagospodarowania innymi metodami, 8899

5 wytworzenie produktów o wysokiej jakości, dla których można znaleźć z powodzeniem wiele możliwości zagospodarowania, m.in.: energetyka, przemysł chemiczny i petrochemiczny, niższa w porównaniu z innymi surowcami energetycznymi zawartość związków siarki, proces pirolizy jest metodą przerobu odpadów charakteryzującą się niską emisją, o niskim poziomie hałasu. Podsumowanie Ze względu na wzrost ilości stacji demontażu pojazdów na terenie Polski oraz wprowadzenie obszernych przepisów w zakresie warunków recyklingu i odzysku materiałów energetycznych w nich powstających, pojawił się problem zbyt małej ilości zakładów, będących w stanie części po rozbiórce (w tym opony) przyjąć. Na chwilę obecną, mamy do czynienia z nadpodażą materiałów plastikowych (do któregoś z procesów recyklingu) oraz opon i obserwujemy znaczny deficyt zakładów z funkcjonującymi instalacjami do ich przerobu. Koncepcja przedsięwzięcia, w postaci pirolizy niskotemperaturowej powstałych odpadów, wpisuje się doskonale w bieżącą politykę Unii Europejskiej oraz Polski jako jej członka. Nowa dyrektywa wspólnotowa w zakresie gospodarki odpadami, dokonując hierarchizacji postępowania z odpadami. Ustanawia kolejność działań najlepszych z punktu widzenia ochrony środowiska, kompleksowe rozwiązanie w zakresie prawodawstwa i polityki dotyczące odpadów. Odstępstwo od takiej hierarchii może być konieczne w przypadku określonych strumieni odpadów, jeżeli jest to uzasadnione między innymi wykonalnością techniczną, opłacalnością ekonomiczną i ochroną środowiska. Ponadto wskazuje się, że naczelnym priorytetem w gospodarce odpadami powinno być zapobieganie ich powstawaniu oraz że ponowne wykorzystanie i recykling materiałów powinny mieć pierwszeństwo, o ile i tylko w takim zakresie, w jakim są to najbardziej ekologiczne z dostępnych metod. Polityka ekologiczna stanowi jeden z obszarów traktowanych priorytetowo w Unii Europejskiej. W zakresie gospodarki odpadami podstawowym aktem prawnym jest ramowa dyrektywa w sprawie odpadów (Waste Frame Directive) 2008/98/EC z dnia 19 listopada 2008 r. wprowadzająca pięciostopniową hierarchię postępowania z odpadami: zapobieganie, przygotowanie do ponownego użycia, recykling, inne metody odzysku, np. odzysk energii, unieszkodliwianie. W tym zakresie zostało również dostosowane prawodawstwo polskie, poprzez zwiększenie dopuszczalnych poziomów przerobu. Od 1 sierpnia 2013 r. dla instalacji do odzysku lub unieszkodliwiania odpadów innych niż niebezpieczne przy zastosowaniu procesów termicznego przekształcania odpadów, krakingu odpadów, fizykochemicznej obróbki odpadów (proces D9 unieszkodliwiania odpadów w rozumieniu ustawy z dnia 14 grudnia 2012 r. o odpadach (Dz. U. z 2013 r. poz. 21) wymienionych 2, ust. 1. punkt 46 powyższego rozporządzenia obowiązuje próg wydajności 100 t dziennie. Większość rozwiązań oferowanych na rynku to małe instalacje o dobowej wydajności na poziomie do 10 t odpadów. Tym samym przedsięwzięcia tego typu, w sposób znaczący (przynajmniej na poziomie regionu), przyczynią się do realizacji założeń postawionych przed naszym krajem w zakresie poziomu odzysku surowców. Streszczenie W artykule omówiono odpady pochodzące z demontażu pojazdów, wykorzystywane w procesie pirolizy niskotemperaturowej. Zaprezentowano typowe operacje demontażu pojazdów jak również ich przebieg. Scharakteryzowano proces pirolizy niskotemperaturowej. Pokazano walory procesu uwzględniając odzysk energii z odpadów oraz wykorzystanie oleju popirolitycznego w transporcie. Zaprezentowane zostały dodatkowo korzyści środowiskowe, wynikające z zastosowania tej technologii przerobu wyżej wymienionych odpadów. Słowa kluczowe: olej popirolityczny, piroliza, piroliza niskotemperaturowa, demontaż pojazdów 8900

6 ENERGY RECOVERY FROM WASTE FROM VEHICLES DISMANTLING STATIONS USING LOW-TEMPERATURE PYROLYSIS Abstract The paper discusses the dismantling of waste from vehicles, used in low-temperature pyrolysis process. Typical vehicle dismantling operations as well as their processes were presented. Low temperature pyrolysis process was characterized. The advantages of the process, taking into account energy recovery from waste and pyrolytic oil use in transport were described. We presented additional environmental benefits resulting from the use of the vehicle dismantling waste processing technology. Keywords: pyrolysis oil, pyrolysis, low-temperature pyrolysis, vehicles dismantling Literatura: [1] ( ) [2] ( ) [3] Wojciechowski A., Michalski R.,: Zastosowanie Gumy w Pojazdach Samochodowych. Recykling Gumy, Instytut Transportu Samochodowego, s , [4] Wołosiewicz-Głąb M., Grabowski Ł., Możliwości oraz perspektywy wykorzystania oleju popirolitycznego w transporcie, Logistyka, 4/2014, s [5] Stelmach S., Potencjalne metody zagospodarowania karbonizatów z opon samochodowych, Archiwum Gospodarki Odpadami, 13(3)/2011, s [6] Opony samochodowe: ETRMA LC i informacje dostarczone przez producentów opon do samochodów ciężarowych. ( ) [7] ( ) [8] httpwww_bg_utp_edu_plartpe22007pe pdf ( ) [9] Ustawa Obowiązujące poziomy odzysku i recyklingu opon (Dz. U. 2003, Nr 104, poz. 982). [10] Osiński J., Żach P.: Wybrane zagadnienia recyklingu samochodów. WKiŁ, Warszawa [11] ( ) [12] Żmuda W., Budzyń S., Tora B., Badania chromatograficzne produktów pirolizy granulatu ze żużytych opon, Górnictwo i Geoinżynieria, Zeszyt 3(1)/2006 [13] ( ) [14] ( ) 8901