Alternatywne technologie unieszkodliwiania (wykorzystania) odpadów komunalnych Prof. dr hab. inż. Andrzej W. Jasiński Doradca Głównego Inspektora Ochrony Środowiska Przewodniczący Krajowej Komisji ds. Ocen Oddziaływania na Środowisko Członek Państwowej Rady Ochrony Środowiska Technologie przekształcania odpadów Generalnie technologie przekształcania odpadów stałych podzielić można na: Fizyczne (składowanie, produkcja paliw zastępczych, zagęszczanie/peletyzacja, wstępne przetwarzanie, recykling), Termiczne (spalanie, konwencjonalna gazyfikacja, plazmowa gazyfikacja z witryfikacją, piroliza, piroliza ze zgazowaniem, piroliza z reformingiem pary wodnej, termiczna depolimeryzacja), Biologiczne/chemiczne (bakteryjne trawienie w warunkach anaerobowych, bakteryjne trawienie w warunkach aerobowych/kompostowanie, estryfikacja olejów do biodiesla, kraking katalityczny, fermentacja etanolowa, konwersja syngazu do etanolu/metanolu, termiczna depolimeryzacja). 1
Biomasa i węgiel Biomasa i węgiel kamienny różnią się,w zasadzie, tylko ilościowo: biomasa (b) węgiel kamienny (w) Elementarny skład jakościowy taki sam, Różny skład ilościowy, b 4x więcej tlenu niż w b - 2x mniej węgla niż w b mniej siarki i azotu niż w b wysoka reaktywność i wysoka zaw. cz. lotnych b wysoka i zmienna zawartość wilgoci b niższa wart. opał. niż w b niższa gęst. nasypowa niż w (droższy transport) b wyższa zaw. zw. alkal., Ca, P, Cl niż w b niższa zaw. popiołu i S niż w parametry fizykochemiczne polskich odpadów komunalnych ciężar objętościowy, najczęściej, w przedziale 190 230 kg/m3. Podział frakcyjny : 0 10 mm (7.8 26%); 10 40 mm (26.1 30.2%); 40 100 mm (20.3 25.7 %) ; powyżej 100 mm (23.5 40.4%). Skład grupowy : frakcja 0 10 mm (9.1 29.2%); odpady spożywcze roślinne (23.3 34.7%); odpady spożywcze zwierzęce (2.3 4.2%); papier i tektura (14.4 25.1%); tworzywa sztuczne (3.0 4.6%); materiały tekstylne (3.2 4.3); szkło (7.3 8.4%); metale (3.4 3.7%); pozostałe organiczne (2.4 3.7%); pozostałe nieorganiczne (3.1 10.2%). Właściwości paliwowe : wilgotność (37.8 52.4%); części palne (22.4 25.7%); części niepalne (25.2 38.7%); części lotne (59.4 76.9 % części palnych); ciepło spalania (8123 9014 kj/kg); wartość opałowa robocza (2107 3738 kj/kg). Skład pierwiastkowy części palnych : C (49.29 59.93%); H (5.29 6.61%); S (0.59 0.79%); N (0.03 0.05%); Cl (0.62 0.78%); O (33.43 42.82%). 2
Piroliza - charakterystyka Endotermiczny proces transformacji termicznej bogatych w węgiel substancji organicznych Zakres temperatur 200-800 st.c (niskotemperaturowa :450-500 st.c; wysokotemp.: 700 800 st.c) Zakres ciśnień : od podciśnień do zwiększonych ciśnień w stosunku do ciśnienia otoczenia Środowisko pozbawione tlenu lub przy pomijalnie małej jego obecności Gaz pirolityczny (ze wzrostem T rośnie jego udział),głównie: para wodna, wodór, metan, etan i ich homologi, wyższe węglowodory alifatyczne, tlenek i dwutlenek węgla, także : H2S, NH3, HCL, HF, HCN Faza stała (ze wzrostem T maleje jej udział): koks pirolityczny, substancje obojętne, pyły ze znaczną zawartością metali ciężkich,itp.. Faza płynna (jej ilość prawie nie zmienia się z T i wynosi ok..60%): kondensaty wodne i oleiste (mieszanina olejów i smół, wody oraz składników organicznych, głównie kwasów i alkoholi) gazowe produkty rozkładu są odprowadzane a pozostałość jest poddawana zgazowaniu w warunkach wodno-tlenowych najczęstsze rozwiązania aparaturowe to: reaktory szybowe (ruch masy pionowo w dół); reaktory ze zgazowaniem w warstwie fluidalnej; obrotowe reaktory bębnowe (poziomy ruch masy) Przykłady :sucha destylacja drewna, odgazowanie węgla, kraking ciężkich frakcji ropy naftowej Piroliza odpadów komunalnych Średnia wartość opałowa gazu pirolitycznego, z odgazowania odp.kom. (niemieckich) : 12-16 MJ/m3 (max przy 700 st.c, później il. metanu maleje) Przykład dla 1 kg odp. kom. (wilgot. 35%, wart. Opałowa 9.2 MJ/kg; temp. 450 st.c; czas przebywania w reaktorze 1 h): 0.6 kg gazu pirolitycznego (wilgot. 60%, wart.opałowa 12 MJ/kg); 0.4 kg stałej subst.odpadowej (koks, substancje oboj., metale; wart. opałowa 5MJ/kg) Dopalanie w reaktorach katalitycznych (do wody i C02) 3
Piroliza - wykorzystanie Unieszkodliwianie odpadów komunalnych (niskotemperaturowa) i przemysłowych (wysokotemperaturowa np. do opon i tworzyw sztucznych) Wytwarzanie energii elektrycznej i cieplnej (głównie ze spalania gazu po jego chemicznym oczyszczeniu) Wytwarzanie produktów chemicznych (obecnie w niewielkim stopniu) Technologie quasi-pirolityczne Obok pirolizy, zgazowanie jej pozostałości Zgazowanie (1200-1400 st.c, udział tlenu)- wysoki stopień przemiany części organicznej w gazy (głównie C0, H2, nieco CH4 i niepalne : C02, N2, H20); wart. opałowa od 5 MJ/m3 (powietrze czynnikiem utleniającym) do 10 MJ/m3 (tlen; Thermoselect) Stopienie części nieorganicznej (końcowa forma to żużel granulowany) 4
Piroliza - problemy Powstawanie trudnych do oczyszczenia gazu pirolitycznego i syntezowego, spalin i innych produktów pirolizy oraz quasi-pirolizy (wymóg rozbudowanego węzła oczyszczania i neutralizacji,podobnie jak przy spalaniu) Niezbyt duże sprawności termiczne (porównywalne lub mniejsze niż przy spalaniu) Prawdopodobnie wyższy niż dla spalania koszt termicznego przekształcania zarówno eksploatacyjny jak i samej instalacji Zgazowanie - zasada Zgazowanie to proces utleniania przy niestechiometrycznej (niewystarczającej,wg zapisu reakcji pełnego utleniania) ilości tlenu ideę procesu można zobrazować następującymi podstawowymi reakcjami: C + ½ O2 = CO + Q Q = 123,1 kj/kmol C + O2 = CO2 + Q Q = 404,7 kj/kmol C + CO2 = 2CO - Q Q = 159,9 kj/kmol C + H2O (para wodna) = CO + H2 - Q Q = 118,5 kj/kmol C + 2H2 = CH4 + Q Q = 87,5 kj/kmol I dwiema następczymi: CO + H2O = H2 + CO2 + Q (zwiększa ilość wodoru) Q = 40,9 kj/kmol CO + 3H2 = CH4 + H2O + Q (podwyższa wartość opałową). Q = 205,9 kj/kmol 5
plazma Plazma, często zwana czwartym stanem skupienia materii, to termin przypisywany gazowi, który uległ jonizacji (gaz zjonizowany, to taki, w którym atomy straciły jeden lub więcej elektronów i w ten sposób uzyskały ładunek elektryczny). Błyskawice są naturalnymi przykładami zjawisk, w czasie których, w wyniku wyładowań elektrycznych, następuje jonizowanie powietrza i powstawanie plazmy. Wytwarzana przez człowieka plazma powstaje w wyniku wyładowań elektrycznych w jakimś gazie, np. tlenie lub powietrzu (gaz procesowy). Oddziaływanie gazu procesowego z ładunkami elektrycznymi wyładowań powoduje znaczny wzrost temperatury, często przekraczający wiele tysięcy stopni Celsjusza, zdolny rozłożyć wszystkie związki chemiczne znajdujące się w takich warunkach i przeprowadzić je w stan gazowy. Wykorzystanie procesów plazmowych Dotychczasowe utylitarne wykorzystanie plazmy: metalurgia, unieszkodliwianiem odpadów niebezpiecznych, metody zgazowania węgla a także innych substancji, zawierających ten pierwiastek, termiczna konwersja materiału, w środowisku z ograniczoną, niestechiometryczną ilością tlenu, w temperaturach (w łuku), przynajmniej rzędu 4000 7000 st. C; produkty : gaz syntezowy, oraz zeszklony żużel (witryfikat) gaz syntezowy, po oczyszczeniu boilery, turbiny gazowe lub silniki - elektryczność i ciepło; produkcja chemiczna, w tym paliwa napędowe, zgazowanie węgla w energetycznym układzie gazowo parowym ( IGCCgeneracja gazu, turbozespół gazowy i turbozespół parowy); zastosowanie, w IGCC, palników plazmowych - znacząca poprawa funkcjonowania tej technologii, wiarygodność z termodynamicznego i chemicznego punktu widzenia (tworzenie modeli matematycznych pozwalających na symulowanie zmienności parametrów procesowych i znajdowanie wzajemnych ich zależności). 6
Zgazowanie plazmowe 7
najbardziej aktywne firmy Plasco Energy Group (Kanada), AlterNRG (Kanada) z prawami własności w pos ługiwaniu s ię technologią plazmową Westinghouse Plasma Corporation (obecnie oddziałalternrg), G eoplasma (US A), Laurentian RC&D (USA), SMS (India), Solena Group (USA), P yrogenesis (K anada), E uroplas ma (F rancja), Startech (USA). 8
Schemat Technologiczny KOMORA Plasco RAFINACYJNA OCZYSZCZONY OCZYSZCZONY PLASCOSYNGAS PLASCOSYNGAS WSAD ODPADÓW PALNIK PALNIK PLAZMOWY PLAZMOWY NIEOCZYSZCZONY GAZ SYNTETYCZNY KOMORA KONWERTORA KOMORA PRZETWARZANIA TERMICZNEGO NIEOCZYSZCZONY GAZ SYNTETYCZNY PALNIK PLAZMOWY PALNIK PLAZMOWY PODGRZANE POWIETRZE SUBSTANCJE STAŁE ŻUŻEL CIEKŁY ŻUŻEL Projekty komercyjne plazmowego zgazowania odpadów komunalnych (w różnym stopniu realizacji) prowadzące ku produkcji energii elektrycznej i/lub energii cieplnej ( używanych do celów własnych i przekazywana do sieci): Ottawa (Plasco Energy Group; Kanada); od 2007 r.;100 ton odp. kom./dzień, Red Deer County (Plasco Energy Group; Kanada); kontrakt z września 2008 r.; 300 ton odp.kom/dzień, Mihama Mikata (Hitachi Metal Group; Japonia);od 2002 r.; 24 tony odp.kom./dzień i 4 tony osadów ściek./dzień, Utashinai (Hitachi Metal Group; Japonia);od 2002 r.; 280 ton odp. kom. i pozostałości po produkcie strzępienia pojazdów wycofanych z ruchu / dzień, St.Lucie (Geoplasma+AlterNRG; Floryda,USA); planowana zdolność 3000 ton odp. kom./dzień, Int.Falls (Laurentian RC&D; Minnesota,USA); planowana zdolność 100 ton odp. kom./dzień, Pune (SMS+AlterNRG; India); planowany rozruch w 2008 r.; zakładana zdolność 70 ton odp. kom./dzień, Nagpur (SMS+AlterNRG; India); planowany rozruch w 2008 r.; zakładana zdolność 70 ton odp. kom./dzień, Vicenza (Solena Group; Włochy); planowana zdolność 400 ton odp.kom./dzień, Malagrotta (Solena Group; Włochy); planowana zdolność 80 ton odp.kom./dzień, Istambuł (AlterNRG; Turcja); planowana zdolność 140 ton odp.kom./dzień, Ibie (Solena Group; Hiszpania); planowana zdolność 300 ton odp.kom./dzień, Edmonton (AlterNRG; Kanada); planowana zdolność 300 ton odp. kom./dzień. 9
Plazma a inne metody termiczne W porównaniu z innymi metodami termicznymi, technologia plazmowa charakteryzuje się: Bardziej równomiernym utrzymywaniem wysokiej temperatury, Najwyższą energią netto w przeliczeniu na tonę odpadów komunalnych (o 50% więcej niż spalanie; o 43 % więcej niż piroliza; o 29% więcej niż piroliza połączona z gazyfikacją oraz o 29% więcej niż konwencjonalna gazyfikacja), Dużą elastycznością zmian składu nadawy (węgle o różnej zawartości siarki i granulacji; odpady komunalne; pozostałość po produkcie strzępienia pojazdów wycofanych z ruchu; koks petrochemiczny; szlamy z zakładów chemicznych oraz oczyszczalni ścieków, itp.), Niewielkimi wymaganiami przygotowania nadawy (wieloskładnikowa z ograniczoną potrzebą rozdrabniania dyktowaną wymiarami gazyfikatora; brak potrzeby dogłębnego rozdrabniania i mielenia; bardzo szeroka tolerancja zawartości wilgoci, choć optymalne wyniki osiąga się przy niskich wartościach tego parametru), Dużymi możliwościami zastosowania produkowanego gazu syntezowego (np. do wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej; do produkcji metanolu, wodoru, etanolu), Najmniejszym oddziaływaniem na środowisko bez składowania popiołów ; zwitryfikowany żużel spełnia normy wymywalności i może być sprzedawany jako surowiec do budowy dróg porównywalny z bazaltem; bardzo niska emisja do atmosfery, także dioksyn i furanów, spełniająca najbardziej wyśrubowane normy europejskie), Możliwością zastosowania w już funkcjonujących elektrowniach, zwłaszcza przy ich modernizacjach, zmierzających do obniżenia oddziaływania na środowisko i stosowania innych paliw niż węgiel. Konkluzje odnoszące się do plazmowego zgazowania odpadów komunalnych Polska,jako kraj na początku drogi stosowania metod termicznych, jest najbardziej obiecującym rynkiem dla technik plazmowych w Europie, Polska, jako jeden z największych krajów UE, może być pośrednikiem w implementacji technik plazmowych w innych krajach UE, nowoczesna prawie bezodpadowa metoda zagospodarowania odpadów, prowadząca do uzyskiwania energii elektrycznej i cieplnej w procesie skojarzonym, technologia mogąca być także wykorzystana przy zagospodarowaniu innych odpadów oraz użyta w energetyce bazującej na węglu, zwłaszcza w procesach IGCC, pozwala na uzyskiwanie z gazu syntezowego także innych niż energia produktów końcowych, wystarczająca ilość surowców ; niezbędne zmiany prawne i organizacyjne, przyczyniające się do ustabilizowanych dostaw substratów dla instalacji plazmowych, podstawowa baza prawna wymaga lepszego przystosowania do użytkowania nowoczesnych technik termicznego wykorzystania odpadów komunalnych oraz jednoznacznego uznania energii z gazu syntezowego, jako energii odnawialnej, z pełnymi konsekwencjami takiej interpretacji, warunkami są : wola współpracy stron; zaufanie; zrozumienie i zaangażowanie; stały i wystarczający dopływ substratu do instalacji; zagwarantowany odbiór energii i innych produktów; zaangażowanie się dawcy technologii w wypracowanie optymalnej inżynierii finansowania ; elastyczność inwestora w odbiorze należności, zastosowanie technologii plazmowych w procesach zgazowania odpadów komunalnych stwarza możliwość likwidowania składowisk odpadów komunalnych, niespełniających standardów ochrony środowiska. 10
Dziękuję za uwagę 11