Termiczna utylizacja odpadów - bezpieczne dla środowiska i ludzi źródło energii Tarnów 12.12.2014 Dr inż. Sławomir Gibała
Podstawowe definicje Spalanie odpadów to przekształcanie termiczne odpadów. Jest to najskuteczniejsza metoda zmniejszania objętości śmieci poprzez spalanie w odpowiednim piecu w temperaturze 750 1000stC. W efekcie zastosowania przekształcania termicznego uzyskuję się istotną redukcję masy i objętości odpadów np. w wyniku spalania objętość odpadów redukuje się do ok. 10% a ich masę do ok. 35% wartości początkowej. Ilość zdeponowanych odpadów na składowiskach w 2008r. to 8,7 mln ton (86,7%) zabranych odpadów komunalnych (10mln ton). Spalarnia odpadów to zakład lub jego część przeznaczona do termicznego przekształcania odpadów z odzyskiem lub bez odzysku wytwarzanej energii cieplnej, obejmujące instalacje i urządzenia służące do prowadzenia procesu termicznego przekształcania odpadów wraz z oczyszczaniem gazów odlotowych i wprowadzaniem ich do atmosfery, kontrolą, sterowaniem i monitorowaniem procesów oraz instalacjami związanymi z przyjmowaniem, wstępnym przetwarzaniem i magazynowaniem odpadów dostarczonych do termicznego przekształcania oraz instalacjami związanymi z magazynowaniem i przetwarzaniem substancji otrzymanych w wyniku spalania i oczyszczania gazów odlotowych.
Podstawowe zadania spalarni odpadów to: uczynić odpady resztkowe obojętnymi, przy minimalizacji emisji gazów odlotowych i odcieków, zniszczyć szkodliwe zanieczyszczenia organiczne lub doprowadzić do zatężenia szkodliwych zanieczyszczeń organicznych, zmniejszyć ilość odpadów pierwotnych przeznaczonych do składowania, szczególnie ich objętość, wykorzystać wartości opałowe odpadów resztkowych jako wyraz poszanowania pierwotnych źródeł energii, przetworzyć pozostałości w użyteczne surowce wtórne dla oszczędności pozostałych surowców materii (obieg materii).
Najpopularniejsze metody utylizacji termicznej: spalanie w kotłach rusztowych (90% z około 500 spalarni w Europie) spalanie w piecach obrotowych z dopalaniem spalin w termoreaktorze, współspalanie w cementowniach spalanie w piecach fluidalnych piroliza i dopalanie gazów pierolitycznych (odgazowanie w temperaturze 150-900stC bez dostępu tlenu, powietrza, CO2, pary wodnej) zgazowanie (proces zachodzący powyżej 800stC przy udziale czynnika zgazowującego tlen, powietrze, para wodne, dwutlenek węgla) i spalanie powstającego gazu niskokalorycznego, termiczne niszczenie w plaźmie właściwa dla odpadów toksycznych i niebezpiecznych
Planowane spalarnie Lokalizacja Ilość przetwarzanych odpadów Nakład inwestycyjny Górnośląski Związek Komunalny 2x250 tyś ton/rok 1081 mln zł Kraków 250 tyś ton/rok 703 mln zł Łódź 250 tyś ton/rok 660 mln zł Poznań 200 tyś ton/rok 640 mln zł Gdańsk 250 tyś ton/rok 539 mln zł Warszawa 265 tyś ton/rok 533 mln zł Olsztyn 120 tyś ton/rok, 517 mln zł Białystok 100 tyś ton/rok 413 mln zł Bydgoszcz-Toruń 180 tyś ton/rok 400 mln zł Szczecin 180 tyś ton/rok 300 mln zł Koszalin 120 tyś ton/rok, 280 mln zł Lista indykatywna do Programu Operacyjnego Infrastruktura i Środowisko 2007-2013 z 30 lipca 2009r
Projekty spalarni w trakcie realizacji Lokalizacja Ilość przetwarzanych odpadów Nakład inwestycyjny (brutto) Wykonawca Kraków 220 tyś ton/rok 797 mln zł Posco Engineering & Construction Poznań 210 tyś ton/rok 725 mln zł Sita Zielona Energia Białystok 120 tyś ton/rok 409 mln zł Konsorcjum Budimeksu, CESPA oraz Keppel Seghers Bydgoszcz 180 tyś ton/rok 491 mln zł Konsorcjum Astaldi oraz Termomeccanica Ecologia Szczecin 150 tyś ton/rok 666 mln zł Mostostal Warszawa Konin 94 tyś ton/rok, 364 mln zł Konsorcjum Integral Engineering und Umwelttechnik, Erbudu oraz Introlu
Autotermiczne spalanie - Trójkąt Tannera Dyrektywa 1999/31/EC przyjęto granicę energetycznej użyteczności odpadów od wartości 6,0GJ/Mg
Ciepło spalania odpadów Rodzaj odpadu Ciepło spalania [GJ/Mg] Zawartość wilgoci [%] Zawartość popiołu [%] Tworzywa sztuczne 31,5 9 8 Guma/skóra 23,3 9 20 Drewno 16,3 19 5 Tekstylia 15,9 22 7 Papier/karton 12,3 19 12 Odpady kuchenne 10,7 40 9 Odpady ogrodowe 9,5 50 5 Odpady organiczne 4,3 65 11 Frakcja drobna (poniżej 10mm) 5,0 20 50 Metale 0,0 5 93 Odpady inertne 0,0 2 98 Odpady pozostałe 7,6 30 30
Średni skład odpadów w % udziału masowego, w zależności od stopnia rozwoju gospodarczego Składnik odpadów Kraje uprzemysłowione Kraje o średnim stopniu rozwoju Kraje rozwijające się Papier 38% 22% 2% Szkło, ceramika 7% 6% 3% Metale 8% 3% 3% Tworzywa sztuczne 6% 5% 2% Tekstylia 3% 7% 3% Odpady organiczne 25% 42% 65% Inne 13% 15% 22%
Schemat spalarni konwencjonalnej
Główne miejsca powstawania odpadów w spalarni: ruszt żużel jako niepalne części zawarte w paliwie około 25% masy odpadów (materiał wykorzystywany w budownictwie dróg i składowisk odpadów), popioły produkt oczyszczania spalin 3% masy odpadów (najczęściej składowanie na składowiskach odpadów niebezpiecznych) spaliny produkt utleniania części palnych w odpadach emisja do atmosfery,
Związki szkodliwe w spalinach W wyniku spalenia 1 tony odpadów powstaje ok. 4000 do 6000 m3 spalin Związki neutralne CO2, H2O, Związki szkodliwe: CO, SO2, NOX, Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne, HCl, HF, Metale ciężkie takie jak rtęć, arsen, selen i częściowo kadm (inne takie jak chrom, kobalt, nikiel, mangan, miedź, tal czy wanad wiązane są głównie w żużlu oraz w pyle) Dioksyny i furany (PCDD/PCDF) PCDD/PCDF nazwy te określają całą grupę związków obejmujących 75 polichlorowanych dibenzo-p-dioksyn i 135 polichlorowanych dibenzofuranów. Dopuszczalna ilość 17 najbardziej szkodliwych kongenerów w spalinach zostało ustalone we wszystkich krajach UE na poziomie 0,1 ng TEQ/m3 spalin suchych w warunkach odniesienia (temperatura 273K, ciśnienie 1013hPa, stężenie tlenu 11%)
Wartości emisji Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 22 kwietnia 2011 r. w sprawie standardów emisyjnych z instalacji (Dz. U. 2011, Nr 95, poz. 558),
Metody pierwotne odpowiedni przebieg procesu technologicznego podawanie powietrza pierwotnego - odpowiedni strumień, właściwa temperatura oraz aktywny, strefowy sposób rozdziału, stężenie tlenu w spalinach opuszczających strefę spalania i dopalania na poziomie 10-13% (dla węgla 6-8%). konstrukcja rusztu zapewnianiająca optymalne przemieszczanie i wymieszanie spalanej nadawy odpadów, co gwarantuje udział niespalonych części w żużlu poniżej 1% masy żużla. przestrzeń komory paleniskowej ukształtowanie zapewniające właściwe wymieszanie niedopalonych spalin i powietrza wtórnego z jednoczesnym spełnieniem wymagań określających aby w najniegodniejszych warunkach pracy temperatura spalin wynosiła co najmniej 850stC, a czas przebywania spalin w tej temperaturze powyżej 2s. automatyczna kontrola i sterowanie procesu spalania m.in. za pomocą kamery termowizyjnej lub przy wykorzystaniu akustycznych pomiarów pola temperatur w obrębie komory spalania. ukształtowanie i utrzymanie wymaganego stanu powierzchni wymiany ciepła w kotle, co optymalizuje proces wymiany ciepła i prowadzi do minimalizacji efektu rekombinacji dioksyn.
Efekt zastosowania metod pierwotnych w redukcji emisji zanieczyszczeń w spalarni odpadów Instalacja bez Instalacja z Dopuszczalne Zanieczyszczenie Jednostka zastosowania zastosowaniem stężenie wg metod metod dyrektywy pierwotnych pierwotnych 2000/76/EC Pył mg/m3 2000-10000 1000-1500 10 Tlenek węgla mg/m3 50-80 10-15 50 Suma związków organicznych mg/m3 10-100 0,5-1,0 10 PCDD/PCDF ng TEQ/m3 5-120 0,6-1,2 0,1 *Źródło: Buttenberger, Johnke, Pająk.
Metody wtórne wychwycenie związków szkodliwych ze spalin 1. Odpylanie: elektrofiltry, multicyklony, filtry tkaninowe. 2. Usuwanie gazów kwaśnych: Metoda mokra często wielostopniowa, prowadzona w kolejnych płuczkach, oddzielna absorpcja chlorowodoru i fluorowodoru, a następnie pozostałych gazów kwaśnych (przede wszystkim SO2), prowadzone w zawiesinie wodorotlenku lub węglanu wapniowego, Metoda sucha wprowadzenie wapna lub węglanu sodu w postaci proszku, Metoda półsucha wprowadzenie reagentów w formie roztworu wodnego. 3. Usuwanie dioksyn i furanów: Adsorbcja na węglu lub koksie aktywnym prowadzona przez dozowanie adsorbera w proszku lub na złożu stałym. 4. Odazotowanie: SNCR selektywna redukcja niekatalityczna - wprowadzenie do komory spalania gazowego amoniaku, wody amoniakalnej bądź mocznika, SCR selektywna redukcja katalityczna oczyszczone spaliny są mieszane z roztworem amoniaku kierowane są na monolityczne złoże katalityczne (katalizator platynowy lub wanadowo-tytanowy).
Bilans dioksyn dla spalarni odpadów komunalnych o wydajności 200 000 Mg/rok: Nazwa Ilość przetwarzanych odpadów Zawartość dioksyn (TEQ) w niespalonych odpadach Zawartość dioksyn w gazach odlotowych Zawartość dioksyn w pyle z elektrofiltrów Zawartość dioksyn w żużlu: - emisja dioksyn z zeszklonym żużlem i popiołami - emisja dioksyn bez zeszkliwiania żużla i popiołów Wartość 200 000 Mg/rok 10 g/rok poniżej 0,1 g/rok 0,078 g/rok 4,8 g/rok poniżej 0,1 g/rok 4,8 g/rok *Podręcznik gospodarki odpadami, teoria i praktyka. B.Bilitewski, G.Hardtle, K.Marek
Spalarnia to bezpieczne źródło ciepła i energii elektrycznej oraz najskuteczniejszy sposób utylizacji odpadów.