Prace Naukowe IMiUE Politechniki Śląskiej, Gliwice, 23, 2009, s.345-362 Jarosław ZUWAŁA, Krzysztof GŁÓD, Ryszard WASIELEWSKI Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla, Zabrze BADANIA NAD MOŻLIWOŚCIAMI ENERGETYCZNEGO WYKORZYSTANIA ODPADÓW BIODEGRADOWALNYCH W PROCESACH WSPÓŁSPALANIA W KOTŁACH ENERGETYCZNYCH Streszczenie: Przedstawiono rezultaty przemysłowych testów współspalania odpadów makulaturowych (papier i kartony) z miałem węgla kamiennego. W trakcie pracy określono rozkład temperatury w komorze paleniskowej kotła oraz porównano parametry energetyczne i emisyjne dla przypadku spalania węgla bazowego oraz współspalania odpadu o udziale 1 % masowego w strumieniu spalanej mieszanki. Określono emisję pyłów oraz zawartość w spalinach substancji szkodliwych (metale ciężkie, dioksyny i furany). Uzyskane wyniki pozwolą na podjęcie decyzji inwestycyjnej o budowie kotła fluidalnego z docelowym współspalaniem tego rodzaju odpadu przez jednego z krajowych wytwórców energii. Summary: The paper presents the results of the industrial co-firing trial tests of paper&board residues with hard coal. During the tests, the temperature profiles in the combustion chamber of the tested boiler were determined as well as the energy and emission (together with dioxins, furans and trace metals in the flue gas) indices were compared for coal alone combustion and co-firing of coal and paper&board fuel with the mass share of 1%. The results obtained allow for the further investment decisions concerning the combustion of such a recycled biomass by one of Polish power producer. 1. Wprowadzenie W krajach wysokorozwiniętych coraz powszechniej stosowaną metodą zagospodarowywania biodegradowalnych frakcji odpadów komunalnych jest ich energetyczne wykorzystanie. Aktualna sytuacja w zakresie termicznej utylizacji odpadów w Polsce wyklucza jednak praktycznie możliwość szybkiej utylizacji dużych ilości odpadów poprzez spopielanie z uwagi na brak wyspecjalizowanych instalacji spalarniowych. Najlepszą metodą zagospodarowania dużego strumienia odpadów biodegradowalnych wydaje się być ich współspalanie w istniejących kotłach energetycznych, co pozwala na wykorzystanie istniejącej już instalacji technologicznej (uniknięcie, bądź znaczna redukcja nakładów inwestycyjnych). Współspalanie segregowanych z odpadów komunalnych frakcji biodegradowalnych prowadzone jest w krajach Europy Zachodniej w wielu elektrowniach, przede wszystkim w Niemczech, Belgii i Holandii [1-3]. Jednym z wariantów może być współspalanie poddanych wstępnej obróbce (suszenie, peletowanie) odpadów w kotłach energetycznych na paliwa konwencjonalne. Spośród materiałów palnych pochodzenia odpadowego duże zainteresowanie wzbudza makulatura (odpady papieru i tektury), która ze względu na coraz wyższe wymagania w zakresie jakości produkcji papieru, nie znajduje ostatnio dużego zainteresowania w recyklingu. Materiał ten charakteryzuje się stosunkowo dużą zawartością frakcji biodegradowalnej (ponad 80%) co powoduje, że może on być brany pod uwagę jako nośnik energii odnawialnej wytwarzanej w sektorze energetyki [4-7]. W kwietniu 2009r. przeprowadzono testy spalania/współspalania odpadów opakowaniowych papieru i tektury (w postaci pelet oraz ścinek) w kotle parowym z warstwowym paleniskiem 1
rusztowym typu OR-10 zlokalizowanym w jednej z krajowych elektrociepłowni. Jednostką nadzorującą przebieg badań i ich głównym wykonawcą był Instytut Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu. Celem przeprowadzonych badań było określenie możliwości spełnienia obowiązujących wymagań prawnych dotyczących spalania odpadów z papieru i tektury w badanej instalacji, a także określenie wpływu współspalania odpadów na pracę i parametry eksploatacyjne kotła. 2. Krajowe wymagania legislacyjne związane ze współspalaniem odpadów papieru i tektury. Odpady papieru i tektury pochodzące z sortowni odpadów komunalnych są wymienione jako odpad inny niż niebezpieczny w katalogu odpadów (Dz. U. z roku 2001, Nr 112, poz. 1206) i oznaczone wg obowiązującej klasyfikacji odpadów kodem -150101. Proces współspalania odpadów papieru i tektury o kodzie 150101 z węglem kamiennym jest procesem przekształcania termicznego odpadów, a instalacja przemysłowa, w której proces ten zachodzi jest instalacją współspalania odpadów. Przywołana kwalifikacja współspalanej substancji (jako odpad, a nie jako paliwo) oraz klasyfikacja procesu technologicznego współspalania odpadów papieru i tektury (jako procesu przekształcania termicznego odpadów), determinuje konieczność spełnienia przez instalację, w której proces ma być prowadzony, odpowiednich wymagań związanych z gospodarką odpadami, zarówno formalnoprawnych, jak i technicznych [8]. Poniżej przedstawiono najistotniejsze wymagania techniczne, które muszą być spełnione przez instalację spalania/współspalania odpadów papieru i tektury. Temperatura gazów wytworzonych podczas spalania/współspalania musi być utrzymywana przez co najmniej 2 sekundy na poziomie powyżej 850 C (dla odpadów zawierających poniżej 1% związków chlorowcoorganicznych, w przeliczeniu na chlor Całkowita zawartość węgla organicznego w żużlach i popiołach paleniskowych nie powinna przekraczać 3% lub udział części palnych w żużlach i popiołach paleniskowych nie powinien przekraczać 5%. Instalacja spalania/współspalania musi być wyposażona w automatyczny system podawania odpadów pozwalający na zatrzymanie ich podawania podczas: rozruchu, do czasu osiągnięcia wymaganej temperatury, procesu, w razie nieosiągnięcia wymaganej temperatury lub przekroczenia dopuszczalnych wartości emisji. Instalacja powinna posiadać ponadto układ ciągłego pomiaru temperatury, zawartości tlenu oraz ciśnienia gazów spalinowych w komorze spalania lub komorze dopalania. W przypadku przekroczenia udziału odpadów w mieszance paliwowej powyżej 1% instalacja powinna posiadać system rozszerzonego monitoringu emisji (pomiary ciągłe: pył, dwutlenek siarki, tlenek i dwutlenek azotu w przeliczeniu na dwutlenek azotu, tlenek węgla, TOC - całkowity węgiel organiczny, tlen, chlorowodór, fluorowodór, prędkość przepływu spalin lub ich ciśnienie dynamiczne, temperatura spalin, ciśnienie statyczne spalin, współczynnik wilgotności oraz pomiary okresowe: rtęć, kadm i tal, suma metali ciężkich: Pb, Cr, Cu, Mn, Ni, As, Sb, V, Co, Sn; dioksyny i furany). W przypadku przekroczenia udziału 1%m/m odpadów w mieszance paliwowej, obowiązują znacznie ostrzejsze standardy emisyjne, w stosunku do spalania klasycznych paliw, wyznaczane według tzw. reguły mieszania opisanej w zał. Nr 8 do Rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 20 grudnia 2005r. w sprawie standardów emisyjnych z instalacji (Dz. U. Nr 260, poz. 2181). 2
3. Przebieg badań przemysłowych Testy energetyczno-emisyjne przeprowadzono jako porównawcze dla spalania samego węgla oraz mieszanki paliwowej z 30% udziałem odpadu z recyklingu (papier i tektura) oraz spalanie samego odpadu, przy takim samym obciążeniu kotła. Zakres pomiarów obejmował wszystkie oznaczenia emisyjne, wymagane dla współspalania odpadów. Na potrzeby testów zgromadzono zapas jednolitego gatunkowo węgla kamiennego. Przygotowano również około 40Mg odpadów papieru i tektury (w postaci pelet oraz ścinek) pochodzących z sortowni odpadów komunalnych. Speletyzowanie odpadów papieru i tektury miało na celu kilkukrotne zwiększenie gęstości nasypowej spalanego materiału (z pierwotnych 0,1 Mg/m 3 do ok. 0,7 Mg/m 3 ), co znacznie poprawia właściwości logistyczne i przeciwdziała niekorzystnym zjawiskom związanym z wynoszeniem spalanego materiału ze strefy rusztu. 3.1. Charakterystyka obiektu i przebieg badań Do testów współspalania odpadów papieru i tektury z węglem kamiennym wytypowano kocioł parowy typu OR-10. Jest to kocioł opromieniowany, wykonany w tradycyjnym układzie dwuciągowym. Kocioł wyposażony jest w warstwowe palenisko rusztowe i przeznaczony do wytwarzania pary o ciśnieniu 1,6MPa, temperaturze 350 C w ilości 12 t/h. Paliwo konwencjonalne dla tego kotła stanowi miał węgla kamiennego. Instalację oczyszczania spalin stanowi bateria czterech cyklonów o skuteczność odpylania około 90 93%. Mieszanki paliwowe sporządzano na placu magazynowym wykorzystując do tego celu ładowarkę, dla wymieszania odważonych wcześniej porcji spalanych składników. Gotową mieszankę podawano na ruszt wykorzystując istniejący układ nawęglania składający się z zasobnika paliwa oraz warstwownicy. W trakcie badań wykonano 3 serie testów spalania, przy wydajności ok. 7,5t/h (60% obciążenia nominalnego) 3.2. Metodyka pomiarowa: Badania kotła oraz obliczenia wykonano zgodnie z normą PN-EN 12952-15 Kotły wodnorurkowe i urządzenia pomocnicze. Część 15: Badania odbiorcze oraz procedurami akredytowanego Laboratorium Spalania IChPW. Pomiary prowadzono przez okres 6h w warunkach ustalonego stanu pracy kotła. Zakres pomiarów obejmował określenie rozkładu temperatury w różnych strefach komory paleniskowej kotła oraz wszystkie oznaczenia emisyjne, wymagane dla współspalania odpadów. Z kolei, dla produktów ubocznych spalania/współspalania zakres badań obejmował: wykonanie testu zgodności wg Dz.U nr 186, poz.1553 z późn. zm. (odpady przeznaczone do składowania na składowisku odpadów innych niż niebezpieczne i obojętne), oznaczenie zawartości całkowitej węgla organicznego oraz części palnych, oznaczenie zawartości metali ciężkich (Pb, Cu, V, Sb, Cr, Ni, Co, Cd i Hg). Parametry termiczne i przepływowe: W obliczeniach wykorzystano wskazania systemu pomiarowego elektrociepłowni: temperatura, przepływ i ciśnienie wody zasilającej kocioł, ciśnienie pary w walczaku, temperatura, przepływ i ciśnienie pary za kotłem, temperatura powietrza przed i za podgrzewaczem powietrza, temperatura spalin przed podgrzewaczem powietrza, ciśnienie spalin w komorze spalania, 3
Paliwo: badania właściwości energetycznych węgla, odpadów papieru i tektury oraz ich mieszanki wykonano w laboratorium IChPW, w oparciu o procedury akredytowane. Próbki spalanych materiałów pobierano bezpośrednio z rusztu. Pobór próbek przeprowadzono w sposób cykliczny co 30 minut, po czym przed analizą poddano je uśrednieniu. Pomiar temperatury w komorze spalania: pomiar temperatury w komorze spalania wykonano na trzech poziomach: 1,2m, 2,5m, 4,75m, przy ścianie lewej i prawej. Pomiary pola temperatury przeprowadzono za pomocą czujnika temperatury termopary NiCr NiAl typu K oraz miernika temperatury typu TES 1314. Spaliny: oznaczeń stężenia pyłu, prędkości oraz gęstości spalin wykonano zgodnie z wymogami polskiej normy PN-Z-04030-7:1994 Badania zawartości pyłu. Pomiar stężenia i strumienia masy pyłu w gazach odlotowych metodą grawimetryczną. Oznaczeń dokonano przy zastosowaniu zestawu pyłomierza grawimetrycznego typu EMIOTEST 2598 oraz sondy aspiracyjnej z filtracją wewnętrzną FG-38, stężenia CO, NO 2, SO 2 oraz CO 2 i O 2 określono stosując analizator gazów HORIBA PG-250 A z wielootworową sondą pomiarową o długości 700 mm. Pomiary wykonano zgodnie z procedurą instrukcji obsługi urządzenia oraz zgodnie z wymogami polskiej normy PN-ISO 10396:2001 Emisja ze źródeł stacjonarnych. Pobieranie próbek do automatycznego pomiaru stężenia składników gazowych, pomiary stężeń LZO (Lotnych Związków Organicznych) wykonano stosując przenośny analizator substancji organicznych wyrażonych jako całkowity węgiel organiczny serii AWE PW, pobór prób gazów dla określenia stężeń HCl realizowano wg wymogów polskiej normy PN-EN 1911-1:2003 Emisja ze źródeł stacjonarnych. Manualna metoda oznaczania HCl. Część 1 : Pobieranie próbek gazów. Oznaczenia wykonano w laboratorium badawczym Śląskiego Centrum Ochrony Pracy w Katowicach, pobór prób gazów dla określenia stężeń HF realizowano wg zaleceń procedury badawczej PB-01 Pobór prób gazów dla określenia stężenia HF. Oznaczenia wykonano w laboratorium badawczym Śląskiego Centrum Ochrony Pracy w Katowicach, oznaczenia zawartości metali ciężkich w pobranych próbkach pyłu wykonano w laboratorium badawczym Śląskiego Centrum Ochrony Pracy w Katowicach. Zawartość poszczególnych metali określono metodą ICP, udział wilgoci w gazach odlotowych oznaczano metodą absorpcyjną, pobór prób polichlorowanych dibenzodioksyn i polichlorowanych dibenzofuranów PCDD/DF wykonywany został wg wymogów polskiej normy PN-EN 1948 1 : 2006 Emisja ze źródeł stacjonarnych Oznaczenie stężenia masowego PCDD/DF oraz PCB typu dioksyn Część 1: Pobieranie próbek PCDD/DF. Pobrana próba została poddana analizie chemicznej w akredytowanym laboratorium Institute of Public Health Ostrawa. Uboczne produkty współspalania ( i ): poboru próbek popiołu lotnego z baterii cyklonów oraz żużla z układu odżużlania dokonywano cyklicznie co 30 min. Próbki były następnie uśredniane, 4
badania zawartości części palnych w próbkach (żużla i popiołu lotnego) przeprowadzono w akredytowanym laboratorium IChPW zgodnie z procedurami badawczymi oraz normami. Oznaczenie metali ciężkich oraz wykonanie testu zgodności dla odpadów przeznaczonych do składowania na składowisku odpadów innych niż niebezpieczne i obojętne wykonano w laboratorium OBiKŚ z Katowic. 3.3. Omówienie wyników badań: Podczas testów nie stwierdzono zasadniczych problemów technicznych w dozowaniu odpadów oraz technologicznych w pracy kotła. Jedynie podczas zbyt wolnego posuwu rusztu (wysoka warstwa) następowało zjawisko cofania się płomienia do zasobnika spalanego materiału. Poniżej przedstawiono najważniejsze rezultaty badań w odniesieniu do wymagań legislacyjnych w zakresie parametrów procesu termicznego przekształcania odpadów oraz spełnienia wymaganych standardów emisyjnych. 3.3.1 Charakterystyka paliwa Poniżej, w tablicy 1 - zebrano wyniki oznaczeń parametrów fizykochemicznych poszczególnych spalanych materiałów. Parametr Symb. Jedn. Właściwości fizykochemiczne spalanych materiałów Węgiel kamienny Odpady papieru i tektury (Pelety z domieszką ścinek) Tablica 1 Mieszanka w. k. + 30% odpadów Analiza techniczna Wilgoć całkowita r W t % wag 11,6 14,0 9,5 Wilgoć analityczna W a % wag 2,0 4,9 3,6 Popiół A a % wag 23,5 9,8 18,2 Zaw. części ch V a % wag 26,69 68,02 39,23 Zaw. części ch V daf % wag 35,83 79,74 50,17 Ciepło spalania kj/kg 24570 17 672 22 521 Wartość opałowa kj/kg 23696 16 395 21 444 Wartość opałowa kj/kg 21135 14 593 19 982 Analiza elementarna Węgiel a C t % wag 62,4 45,1 48,7 Wodór a H t % wag 3,78 5,30 4,53 Siarka całkowita S a t % wag 0,69 0,18 0,4 Siarka popiołowa S a A % wag 0,23 0,12 0,3 Siarka palna S a C % wag 0,46 0,06 0,1 Azot N a % wag 0,93 0,29 0,39 Chlor Cl a % wag 0,325 0,111 0,111 Inne Zaw. frakcji biodegradowalnej a Q s a Q i r Q i X B d % wag - 81,36 - Biorąc pod uwagę analizy składu chemicznego badanych odpadów papieru i tektury, należy stwierdzić, że nie odbiegają one od składów osadów prezentowanych w literaturze [9]. Wyniki analizy technicznej przedstawione w tablicy 2 wykazują, że badane odpady papieru i tektury posiadają zadowalające własności energetyczne. Cechuje je stosunkowo niska 5
zawartość popiołu i średnia zawartość wilgoci, przy dosyć niskiej wartości opałowej w stanie roboczym (nieco powyżej 14 MJ/kg). Wartość opałowa badanych odpadów mieści się w dolnym zakresie typowych wartości osiąganych dla papieru i kartonów jest jednak znacznie niższa od zakresu typowego dla energetycznego węgla kamiennego w sortymencie miał typowego paliwa stosowanego w kotłach wyposażonych w ruszt mechaniczny. Przy wagowym zastępowaniu węgla odpadem przy współspalaniu, nieuchronnie prowadzić to musi do spadku sprawności kotła. Warto zwrócić uwagę na bardzo wysoką zawartość części ch (V daf = 79,74%) w badanych odpadach, która jest ponaddwukrotnie wyższa w stosunku do energetycznego węgla kamiennego (V daf = 30-40%). Świadczy to o tym, że z punktu widzenia kinetyki procesu, ich spalanie powinno zachodzić bezproblemowo, a reakcje przebiegać będą głównie w fazie gazowej, przy nieznacznym udziale heterogenicznego procesu zgazowania karbonizatu. Zawartość części ch w paliwie ma bezpośredni wpływ na sprawność energetyczną kotła, ponieważ części lotne biorą udział w początkowej fazie spalania. Im wyższa zawartość części ch w paliwie, tym łatwiejszy zapłon i szybsze spalanie paliwa. Zbyt niska zawartość części ch prowadzi do utraty stabilności procesu spalania. Jednocześnie istnieje pewne zagrożenie spalaniem odpadów papieru na początku rusztu, a następnie bardzo wolnym wypalaniem powstałego karbonizatu, które jest tłumione przez nagromadzony na powierzchni ziaren. Zawartość popiołu w badanych odpadach jest praktycznie ponad dwukrotnie niższa niż w spalanym węglu. Również zawartość chloru w odpadach jest niższa niż dla węgla i nie powinna powodować komplikacji eksploatacyjnych kotła. Zawartość siarki w badanych próbkach odpadów papieru i tektury jest także stosunkowo niska. W związku z tym nie powinny wystąpić niekorzystne zmiany w wielkości emisji SO 2. Oznaczona zawartość frakcji biodegradowalnej w badanej próbce odpadów papieru i tektury jest bardzo wysoka i wynosi ponad 81%. Biorąc pod uwagę stan suchy bezpopiołowy należy stwierdzić, że badane odpady zawierają ponad 95 % frakcji biodegradowalnej i mogą być kwalifikowane jako nośnik energii odnawialnej. 3.3.2. Wyznaczenie pola temperatury w komorze spalania oraz średniego czasu przebywania gazów spalinowych Dla określenia czasu przebywania gazów spalinowych w komorze spalania kotła, w temperaturze nie niższej niż 850 o C, przeprowadzono pomiary identyfikacyjne rozkładu temperatury spalin w kotle. Punkty pomiarowe zlokalizowano w reprezentatywnych strefach kotła z uwzględnieniem technicznych możliwości wykonania króćców pomiarowych oraz przeprowadzenia pomiarów. Oznaczenia temperatury rejestrowano po uzyskaniu przez czujnik stanu równowagi termodynamicznej. Rozkład punktów pomiarowych na kotle przedstawiono schematycznie na rysunku 1. 6
Rys.1 Schemat usytuowania punktów pomiaru temperatury w komorze spalania kotła OR-10 Na rysunku 2 przedstawiono interpolowane rozkłady średniej temperatury spalin wzdłuż wysokości komory spalania od poziomu 1,2 do 4,4 m (podczas wszystkich trzech testów). 1150 1100 1050 1000 0% 30% 100% temperatura, o C 950 900 850 800 750 700 650 600 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 wysokość nad rusztem, m wymagana temperatura Rys.2 Rozkład średniej temperatury spalin wzdłuż wysokości komory spalania kotła OR10 w zależności od wielkości udziału odpadów w mieszance paliwowej Średnia temperatura spalin w strefie bezpośrednio nad rusztem obniża się wraz ze wzrostem udziału odpadów o kodzie 150101 w mieszance paliwowej. Podczas współspalania mieszanki paliwowej z 30% udziałem tych odpadów średnia temperatura spalin we wszystkich punktach pomiarowych komory spalania również uległa obniżeniu. Natomiast przy spalaniu samych odpadów - część drobnych frakcji materiału palnego jest wynoszona ze strumieniem spalin ze 7
złoża i spala się ponad rusztem. Ponadto odpady papieru i tektury zawierają znacznie więcej części ch (por. Tablica 1) w porównaniu z węglem, co powoduje, że uwalniane w procesie odgazowania związki spalają się wyższych strefach komory paleniskowej. Powoduje to podniesienie temperatury spalin w górnej strefie komory paleniskowej, w stosunku do temperatury spalin ze współspalania mieszanki paliwowej z 30% udziałem odpadów. Wyniki pomiarów oraz analiza rozkładu temperatury wskazuje również, że w strefie komory paleniskowej od poziomu rusztu (przyjętego jako poziom 0,0 m) temperatura gazów spalinowych nie spada poniżej 850 o C do poziomu: 2,2 m (dla spalania węgla), 1,9 m (dla spalania mieszanki paliwowej z 30% udziałem odpadów), 2,0 m (dla spalania 100% odpadów). Na poziomie ok. 2,5m usytuowane są dysze powietrza wtórnego i zgodnie z zapisami legislacyjnymi od tego poziomu powinno się liczyć czas przebywania gazów spalinowych w strefie o temperaturze powyżej 850 o C. W badanych przypadkach na poziomie usytuowania dysz powietrza wtórnego temperatura komorze jest niższa do 850 o C i pod tym względzie dyskwalifikuje kocioł OR-10 jako instalację, która spełnia warunki Termicznego Przekształcania Odpadów (TPO). W celu wyznaczenia średniego czasu przebywania gazów spalinowych w komorze spalania, przyjęto następujące założenia: tłokowy model przepływu strumienia gazów spalinowych w komorze spalania, wartość temperatury gazów spalinowych przyjęto jako wartość średnią zarejestrowaną w punktach pomiędzy poziomem rusztu a poziomem 2m, jako średnią drogę przepływu przyjęto odległość 2,2m dla spalania węgla, 2,0m dla spalania odpadu oraz 1,9m dla spalania mieszanki węgla i odpadu. rzeczywisty strumień objętości gazów spalinowych w warunkach wyznaczonej średniej temperatury spalin w komorze obliczono w oparciu o wyznaczony podczas testów strumień objętości gazów za kotłem, w obliczeniach uwzględniono fałszywe powietrze dossane w podgrzewaczu powietrza do spalin. Uwzględniając otrzymane wyniki pomiarów przeprowadzono obliczenia średniego czasu przebywania gazów spalinowych w komorze spalania w warunkach rzeczywistych. Wyniki obliczeń przedstawiono w tablicy 2. Wyniki obliczeń średniego czasu przebywania gazów spalinowych w komorze spalania Tablica 2 Parametr Średnia temperatura spalin w komorze spalania do poziomu 2m Jedn. Udział odpadów w mieszance paliwowej, %m/m 0 30 100 o C 951 918 890 Strumień objętości spalin w warunkach normalnych m 3 /h 8547 7637 9214 Strumień objętości spalin w warunkach rzeczywistych m 3 /h 38 251 33 322 38 989 Średnia prędkość spalin m/s 1,88 1,64 1,92 Wysokość strefy powyżej 850 o C m 2,2 1,9 2,0 Czas przebywania spalin w warunkach rzeczywistych w strefie 850 o C s 1,17 1,16 1,04 8
Uzyskane wyniki obliczeń czasów przebywania gazów spalinowych w strefie temperatur powyżej 850 C wskazują na nie dotrzymanie warunku TPO. Podczas wszystkich prób, czas ten był wynosił poniżej 2s. Najdłuższy czas uzyskano podczas spalania samego paliwa węglowego. 3.3.3. Wyniki badań energetyczno-emisyjnych: Dla instalacji kotła OR-10 podczas kolejnych testów obowiązują limity wielkości dopuszczalnych emisji określone dla trzech różnych przypadków: a) spalania węgla - jak dla spalania paliw, b) współspalania odpadów z węglem kamiennym - jak dla współspalania odpadów przy udziale powyżej 1% m/m w paliwie, zgodnie z tzw. regułą mieszania c) spalania odpadów - jak dla spalania odpadów innych niż niebezpieczne. W tablicy 3 przedstawiono zarówno wyniki pomiarów emisji uzyskane podczas testów jak i wielkości obowiązujących standardów emisyjnych. Wyniki pomiarów energetyczno emisyjnych oraz dopuszczalne emisje dla badanej instalacji kotłowej Tablica 3 Parametr Jedn Udział odpadów w spalanej mieszance, %wag Udział odpadów % wag 0 30 100 0 30 100 w paliwie Obciążenie kotła Mg pary/h 7,5 7,4 7,2 Średni strumień Mg/h 1,2 1,91 1,35 paliwa Dopuszczalna emisja Sprawność kotła % 75,83 66,66 67,02 (brutto) Charakterystyka emisyjna spalin O 2 % obj. 6 6 6 11 6 6 11 NOx mg/m 3 n 235,7 502,6 460,8 307,2 400 444 200 SO 2 mg/m 3 n 891,5 1056,5 311,9 207,9 1500 1271 50 CO mg/m 3 n 99,2 302,1 112,5 75,0-55 50 Pył mg/m 3 n 174,3 679,1 281,1 187,4 400 338 10 HCl mg/m 3 n 2,8 8,6 28,3 18,9-3,9 10 HF mg/m 3 n p.o. p.o. p.o. p.o. - 0,3 1 TOC mg/m 3 n 1,4 7,8 6,6 4,4-3,3 10 Hg mg/m 3 n p.o. p.o. p.o. p.o. - 0,05 0,05 Cd + Tl mg/m 3 n 0,16 0,03 0,03 0,02-0,05 0,05 Sb+As+Pb+Cr+Co mg/m 3 n 2,13 3,98 2,45 1,63-0,5 0,5 +Cu+Mn+Ni+V PCDD/DF ng/m 3 n 0,0006 0,0033 0,0022 0,0931-0,1 0,1 p.o. poniżej oznaczalności Porównując uzyskane emisje zanieczyszczeń z dopuszczalnymi wartościami należy powiedzieć, iż w przypadku współspalania odpadów papieru i tektury przekroczone zostały stężenia: tlenków azotów, tlenku węgla, chlorowodoru, pyłu, metali ciężkich w zakresie Sb+As+Pb+Cr+Co+Cu+Mn+Ni+V. Natomiast podczas monospalania odpadów papieru i tektury przekroczone zostały stężenia: 9
dwutlenku siarki - blisko 4-krotnie, tlenku węgla, jednakże jest to parametr eksploatacyjny i można go obniżyć optymalizując proces spalania, chlorowodoru. pyłu, którego poziom znacząco odbiega od wartości dopuszczalnej jednakże przy zastosowaniu innego typu odpylacza (np. ogólnie stosowanych elektrofiltrów) poziom ten można obniżyć do dopuszczalnej emisji, metali ciężkich w zakresie Sb+As+Pb+Cr+Co+Cu+Mn+Ni+V. Zauważyć należy, iż emisja metali ciężkich, mimo iż przekracza dopuszczalne standardy, to jest niższa jak w przypadku spalania węgla. Przedstawione wyniki pomiarów potwierdzają fakt, że kocioł rusztowy typu OR-10 jest prostą konstrukcją, nie dostosowaną do zadań związanych ze współspalaniem/spalaniem odpadów. 3.3.4. Uboczne produkty współspalania: W przypadku podjęcia przez elektrociepłownię współspalania odpadów - istotnym zagadnieniem jest kwestia wystąpienia konieczności zmiany kwalifikacji produktów ubocznych. Ubocznymi produktami spalania paliw w elektrowniach są popioły paleniskowe, pyły i żużle. Stanowią one odpady o kodach: 100101 - żużle, popioły paleniskowe i pyły z kotłów (z wyłączeniem pyłów z kotłów wymienionych w 100 04), 100102 - popioły lotne z węgla. Ubocznymi produktami współspalania paliw i odpadów w elektrowniach są natomiast odpady o następujących kodach: 100114* - popioły paleniskowe, żużle i pyły z kotłów ze współspalania zawierające substancje niebezpieczne, 100115 - popioły paleniskowe, żużle i pyły z kotłów ze współspalania inne niż wymienione w 100114*, 100116* - popioły lotne ze współspalania zawierające substancje niebezpieczne, 100117 - popioły lotne ze współspalania inne niż wymienione w 100116*. Dla wyboru drogi dalszego postępowania ważna jest znajomość zawartości metali ciężkich w tych produktach. Tablica 4 Wyniki oznaczeń zawartości metali ciężkich w ubocznych produktach spalania/współspalania Oznaczenie Wartość oznaczona, mg/kg Mieszanka paliwowa węgiel kamienny w. kamienny/odpad odpad Rodzaj badanego materiału Ołów 14,9 112,1 18,30 59,10 <1,00 112,5 Kadm <0,050 1,08 <0,050 0,73 0,18 2,12 Miedź 21,10 120,0 46,10 106,5 182,8 200,2 Chrom całkowity 30,50 58,40 26,20 38,00 52,80 48,80 Nikiel 39,40 85,80 32,40 59,10 42,00 66,60 Rtęć <0,050 0,25 <0,050 0,31 <0,050 0,88 Wanad 47,30 130 42,50 90,00 35,70 92,80 Antymon <5,00 <5,00 <5,00 <5,00 <5,00 8,53 Kobalt 14,20 29,10 12,10 19,60 11,50 20,70 Suma metali ciężkich <167,4 <536,73 <177,6 <373,34 <324,98 <553,13 Wyniki badań przedstawione w tablicach 4 i 5 wskazują, że badane odpady nie posiadają charakteru odpadów niebezpiecznych i można im przypisać docelowo klasyfikację kodową: 10
100115. Materiały te w warunkach instalacji eksploatowanego kotła OR 10 są odbierane łącznie, więc nie trzeba ich klasyfikować osobno. Tablica 5 Wyniki badań wyciągu wodnego ubocznych produktów spalania/współspalania węgla kamiennego i odpadów o kodzie 15 01 05. Oznaczenie Wartość oznaczona, mg/kg s.m. Mieszanka paliwowa węgiel kamienny w. kamienny/odpad odpad Wartość dopuszcz. Rodzaj badanego materiału Arsen 0,033 <0,010 <0,010 0,017 <0,010 <0,010 2 Bar 0,569 6,79 5,05 7,86 18,10 20,20 100 Kadm <0,005 <0,005 <0,005 <0,005 <0,005 <0,005 1 Chrom całkowity <0,030 <0,030 <0,030 <0,030 0,064 0,181 10 Miedź <0,040 <0,040 <0,040 <0,040 <0,040 <0,040 50 Rtęć <0,005 <0,005 <0,005 <0,005 <0,005 <0,005 0,2 Molibden 2,36 <0,040 1,47 <0,040 <0,040 1,65 10 Nikiel <0,040 <0,040 <0,040 <0,040 0,256 0,196 10 Ołów <0,100 <0,100 <0,100 <0,100 <0,100 <0,100 10 Antymon <0,50 <0,50 <0,50 <0,50 <0,50 0,54 0,7 Selen <0,010 >1,0 0,011 0,056 <0,010 0,11 0,5 Cynk 2,29 2,32 1,57 0,067 0,219 1,16 50 Chlorki <50 55,5 122 110 217 1515 15000 Fluorki <1,00 20,00 4,20 25,00 18,00 54,00 150 Siarczany 193 3650 449 2695 435 679 20000 Rozpuszczony węgiel organiczny (DOC) 50,1 55,5 31,7 31,00 37,2 59,6 800 Stałe związki rozpuszczone (TDS) 1320 7590 4710 8640 12700 20600 60000 ph 10,9 11,4 11,9 11,8 12,4 12,5 - Odczyn roztworu wodnego wykazuje charakter alkaliczny, a oznaczone poziomy wymywalności dla wszystkich oznaczanych substancji, poza jednym przypadkiem, wykazują dużo niższy poziom od wartości dopuszczalnych. Przekroczenie zawartości selenu w wyciągu wodnym z próbki popiołu lotnego ze współspalania węgla ma najprawdopodobniej charakter incydentalny i przy założeniu łącznego odbioru popiołu i żużla nie powinno stanowić przeszkody dla traktowania tego materiału w przyszłości jako materiału obojętnego. Wydaje się więc uprawnionym stwierdzenie, że wszystkie badane materiały klasyfikują się do składowania na składowisku odpadów innych niż niebezpieczne i obojętne. Łączna zawartość metali ciężkich w badanych próbkach nie jest wysoka (na poziomie od 0,017 do 0,055%), przy czym jest ona wyraźnie wyższa w popiołach ch w stosunku do żużli. Z wyników badań przedstawionych w tablicy 4 wynika, że wraz ze zwiększaniem udziału odpadów w mieszance paliwowej rośnie sumaryczna zawartość metali ciężkich w żużlach, natomiast w popiele m tendencja jest zróżnicowana. Należy jednak zauważyć, że sumaryczna zawartość metali ciężkich w popiele m ze spalania odpadów jest praktycznie na takim samym poziomie jak dla spalania węgla kamiennego. Spośród oznaczanych metali ciężkich, największy poziom zawartości w produktach ubocznych wykazuje miedź. Zawartość miedzi w żużlach ze spalania samych odpadów jest prawie 9-krotnie wyższa w stosunku do żużla ze spalania węgla. Metal ten jednak występuje w badanym materiale w stanie związanym, o czym świadczy brak wykrywalności w wyciągu wodnym. Wykonane oznaczenia wykazały również tendencję spadkową w zakresie zawartości kobaltu i wanadu 11
wraz ze zwiększaniem udziału odpadów w spalanej mieszance paliwowej. Zaobserwowano również, że kadm i rtęć występują głównie w popiele m. Oceniając z kolei badany materiał badawczy w aspekcie spełnienia wymagań legislacyjnych dla procesu termicznego przekształcania odpadów, poprzez wyniki badań zawartości całkowitego węgla organicznego i części palnych w ubocznych produktach spalania/współspalania (tablica 6) - należy stwierdzić, że wymagania te nie zostały spełnione. Wyniki oznaczeń części palnych w ubocznych produktach spalania/współspalania Tablica 6 Parametr Wartość oznaczona, % wag Mieszanka paliwowa węgiel kamienny w. kamienny/odpad odpad Wartość dopuszczalna Rodzaj badanego materiału Całkowity węgiel organiczny 3,2 10,4 12,3 7,9 4,2 9,4 3 Części palne 7,05 22,11 28,62 38,53 12,78 22,33 5 Wynika to głównie z charakteru konstrukcji urządzenia kotłowego, w którym odpady były spalane/współspalane. Kocioł z poziomym rusztem mechanicznym nie zapewnia dobrych warunków dla ruchu pojedynczych cząstek spalanego materiału. Dlatego w urządzeniach do spalania odpadów stosuje się zwykle ruszty skośne i schodkowe, wymuszające wzajemne przesuwanie się cząstek i właściwe dopalenie materiału. Należy zauważyć, że uboczne produkty ze spalania węgla kamiennego (bez udziału odpadów) nie były również dobrze wypalone. Jednak w tym przypadku badane parametry nie są legislacyjnie limitowane. 4. Podsumowanie Testy przemysłowe spalania/współspalania z węglem kamiennym odpadów papieru i tektury o kodzie 150101, przeprowadzone w kotle z rusztem mechanicznym typu OR-10, wykazały, że: współspalanie odpadów papieru i tektury, przy ich udziale w mieszance paliwowej na poziomie: 30 i 100% wpływa w sposób zauważalny na obniżenie sprawności kotła (spadek o około 10%), konstrukcja badanego kotła typu OR10 (doprowadzenie powietrza wtórnego) nie pozwala na dotrzymanie wymagań formalnych dotyczących prowadzenia procesu termicznego przekształcania odpadów dotyczącego minimalnego czasu 2 sekund przebywania spalin w obszarze temperatury powyżej 850 o C. uzyskane wyniki analiz zawartości części palnych oraz całkowitego węgla organicznego w ubocznych produktach spalania/współspalania przekroczyły znacznie wartości dopuszczalne. dotrzymanie przez instalację badanego kotła OR-10 obowiązujących ją standardów emisyjnych dla współspalania/spalania odpadów jest niemożliwe, Tak więc, z formalnego punktu widzenia - współspalanie/spalanie odpadów papieru i tektury w badanym kotle rusztowym OR10 niesie za sobą zagrożenia środowiskowe i jest niedopuszczalne. Podsumowując, należy jednak stwierdzić, że podjęcie współspalania odpadów z papieru i tektury w instalacjach energetyki zawodowej jest przedsięwzięciem celowym. Umożliwić ono może wzrost potencjału produkcyjnego energii odnawialnej w elektrowni (szczególnie przy uwzględnieniu konieczności zwiększania wolumenu tzw. biomasy nieleśnej ). Proces ten, prowadzony w instalacjach o innej konstrukcji (np. w kotłach fluidalnych), 12
wyposażonych jednocześnie w wysokosprawne instalacje oczyszczania spalin - może być, zdaniem autorów, efektywny zarówno środowiskowo jak i ekonomicznie. LITERATURA: [1.] Współspalanie biomasy i paliw alternatywnych w energetyce, Praca zbior. pod red. Ściążko M., Zuwała J., Pronobis M., Wyd. IChPW Zabrze i Politechniki Śląskiej w Gliwicach, ISBN 978-83-913434-3-2, 2007 [2.] Richers U., Scheurer W., Seifert H., Hein K.R.G.: Present Status and Perspectives of Co-combustion in German Power Plants, Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, Karlsruche, 2002 [3.] Refuse derived fuel, current practice and perspectives Final Report, European Commission Directorate General Environment, 2003. [4.] Grammelis P., Basinas P., Malliopoulou A., Sakellaropoulos G.: Pyrolysis kinettics and combustion characteristics of waste recovered fuels, Fuel, 88, 2008, s.195-205 [5.] Monte M.C., Fuente E., Blanco A., Negro C.: Waste management from pulp and paper production in the European Union, Waste Management, 29, 2009, s.293-308 [6.] Boavida D., Abelha P., Gulyurtlu I., Cabrita I.: Co-combustion of coal and nonrecyclable paper and plastic waste in a fluidised bed reactor, Fuel, 82, 2003, s.1931 1938 [7.] Confederation of European Paper Industry, 2006. Special recycling 2005 statistics, 2006, http://www.cepi.org. [8.] Sobolewski A., Wasielewski R.: Wykorzystanie stałych paliw wtórnych w instalacjach energetycznych, Ochrona Powietrza i Problemy Odpadów, 2008, 3-4, s.69-76 [9.] Wandrasz J.W., Wandrasz A.J.: Paliwa formowane, wyd. Seidel-Przywecki Sp. z o.o., Warszawa, 2006 13