Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych nr 51, 2012 r. Henryk Karcz*, Andrzej Kozakiewicz*, Marcin Kantorek**, Piotr Dziugan***, Krzysztof Wierzbicki**** UTYLIZACJA ODPADÓW KOMUNALNYCH W ENERGETYCZNYCH KOTŁACH RUSZTOWYCH NIEEKOLOGICZNĄ TECHNOLOGIĄ UTYLIZACJI TERMICZNEJ DISPOSAL OF MUNICIPAL WASTE IN GRATE POWER BOILERS WITH THE USE OF A NON-ORGANIC TECHNOLOGY OF THERMAL DISPOSAL Słowa kluczowe: odpady, termiczna utylizacja, spalanie, kocioł. Key words: waste, thermal utilization, incineration, boiler. Streszczenie Biomasa stała jest obecnie największym źródłem energii odnawialnej w Polsce. Podstawowe sposoby wykorzystania biomasy w instalacjach energetycznych są realizowane przez jej spalanie (jako paliwa podstawowego) lub współspalanie (z innym paliwem alternatywnym). W grę wchodzi także przygotowanie paliw specjalnych na bazie biomasy (brykiety, pelety itp.). Problem energetycznego wykorzystania biomasy z odpadów komunalnych jest szczególnie istotny w aspekcie zobowiązań Polski, wynikających z Traktatu Akcesyjnego, a także z ustawy o odpadach, dotyczących redukcji składowanych odpadów ulegających biodegradacji. Z ekonomicznego punktu widzenia, odpady komunalne stanowią również znaczącą bazę energetycznego paliwa zaliczanego do biomasy, ponieważ przynajmniej w 40% są zaliczane do OZE. * Dr inż. Henryk Karcz, mgr inż. Andrzej Kozakiewicz ZBUS-TKW Combustion sp. z o.o., ul. Sikorskiego 120, 95-015 Głowno; tel.: 42-719-30-83 ** Mgr inż. Marcin Kantorek Wydział Mechaniczno-Energetyczny, Politechnika Wrocławska, ul. Wybrzeże Wyspiańskiego 27, 50-370 Wrocław *** Dr inż. Piotr Dziugan Wydz. Biotechnologii i Nauki o Żywności, Politechnika Łódzka, al. Wólczańska 171/173, 90-924 Łódź **** Prof. dr hab. inż. Krzysztof Wierzbicki Instytut Technologiczno-Przyrodniczy, Falenty, al. Hrabska 3, 05-090 Raszyn 137
Henryk Karcz i in. Z badań fizykochemicznych i kinetycznych własności produktów termicznej przemiany podstawowych odmian morfologicznych odpadów komunalnych wynika, że proces termicznej utylizacji odpadów powinien być realizowany technikami innymi niż technologie z kotłami rusztowymi. Summary Solid biomass is currently the largest source of renewable energy in Poland. The basic ways of using biomass in power plants are carried out by its incineration (as a primary fuel) or cofiring with another alternative fuel. Preparation of special fuels based on biomass (briquettes, pellets, etc.) is also involved. The problem of the energy use of biomass coming from the municipal waste is particularly relevant in terms of Polish obligations arising from the Accession Treaty and the law on waste, concerning reduction of storage of biodegradable waste. In accordance with applicable EU and national legislation, in nearly 40% are biodegradable and form a biomass classified as a renewable energy source (RES). The results of studies of the physicochemical and kinetic properties of products of thermal transformation of basic morphological types of municipal waste, have shown that the process of thermal disposal of waste require techniques other than the use of the grate boilers. 1. WPROWADZENIE W Polsce nie istnieje efektywny ekonomicznie i ekologicznie system odzysku oraz recyklingu odpadów komunalnych. Dodatkowe zaostrzenie wymagań w stosunku do wytwarzanych kompostów, pociąga za sobą konieczność zagospodarowania ich w inny sposób niż w uprawach roślin, ponieważ nie spełniają wymaganych norm. Sposobem rozwiązania tego problemu jest przekształcanie termiczne [Pająk 2008, 2007]. Alternatywa ta jest szczególnie cenna ze względu na włączenie przez UE odpadów komunalnych ulegających biodegradacji do definicji odnawialnych źródeł energii (OZE). Możliwość włączenia części odpadów komunalnych do odnawialnych źródeł energii zapewniono również w krajowym ustawodawstwie. Udział odpadów komunalnych ulegających biodegradacji, przeznaczonych na cele energetyczne, zależy od sposobu ich wytwarzania oraz wyznaczonych prawnie poziomów biodegradacji i odzysku materiałów opakowaniowych. Odpadów ulegających biodegradacji nie można składować, lecz należy przekształcić w alternatywne paliwo energetyczne (APE), zaliczane do odnawialnych źródeł energii, które powinno zostać poddane termicznemu recyklingowi w elektrociepłowni pracującej w układzie kogeneracji energetycznej. Bardzo istotne dla produkcji energii w elektrociepłowni opalanej APE jest założenie, że udział odpadów komunalnych ulegających biodegradacji wynosi około 40 50% wszystkich odpadów. Wynika stąd, że około 40 50% energii wyprodukowanej w elektrociepłowni opalanej APE będzie zaliczone do energii zielonej wyprodukowanej z OZE. 138
Utylizacja odpadów komunalnych w energetycznych kotłach rusztowych... Wyznaczony zgodnie z powyższymi kryteriami strumień odpadów komunalnych zaliczanych do biomasy będzie w 2013 r. wynosił około 500 tys Mg. Stwarza to możliwość wypełnienia zobowiązań, wynikających ze świadectw pochodzenia zielonej energii, ale obliguje Polskę do wyłożenia olbrzymich środków na budowę infrastruktury, przygotowanie i spalanie odpadów oraz wykorzystanie wyprodukowanej energii. Odzysk ciepła wytwarzanego w tym procesie i jego efektywne wykorzystanie stało się już obligatoryjne. [Rozporządzenie... 2002, 2005] Jednocześnie dyrektywa 2011/77/WE w sprawie wspierania na rynku wewnętrznym produkcji energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych nakłada na Polskę obowiązek osiągnięcia 15% energii z OZE w roku 2020. Uznanie części energii ze spalania odpadów komunalnych za energię ze źródeł odnawialnych stanowi jedną z istotnych przesłanek ekonomicznych wspierania rozwoju instalacji spalania odpadów. Eksploatacja kotłów z rusztami schodkowymi lub obrotowymi, stosowanych dotychczas w instalacjach utylizacji odpadów komunalnych, stwarza wiele problemów. Dotyczy to niezawodności pracy (duża awaryjność) oraz jakości spalania i selektywności spalanych odpadów. Podczas spalania w tych kotłach powstają duże ilości niedopału w postaci karbonizatu w żużlu oraz w lotnym koksiku. W stosowanych dotychczas instalacjach do termicznej utylizacji odpadów z wykorzystaniem techniki spalania na rusztach nie ma praktycznie żadnych możliwości ograniczania emisji substancji szkodliwych do otoczenia metodami pierwotnymi. Z powodu dużej zawartości NO x, SO 2 i par metali ciężkich w spalinach opuszczających komorę spalania kotła, konieczne jest stosowanie drogich wtórnych metod oczyszczania spalin w ciągu odprowadzającym spaliny do komina. W kotłach z rusztami nie ma też możliwości spalania odpadów w postaci innej niż ciała stałego o odpowiedniej granulacji i wilgotności. Praktycznie niemożliwe jest spalanie osadów ściekowych oraz substancji mazistych, pulp i ciał stałych o wilgotności większej niż 50%. Te utrudnienia i ograniczenia oraz zdarzające się zrzuty zanieczyszczonych spalin lub popiołów, zawierających znaczne ilości niedopału, tworzących nowy odpad wymagający dalszej utylizacji, spowodowały obawy ekologów i protesty ludności przeciwko termicznej utylizacji odpadów komunalnych. Utylizacja taka, pod warunkiem zastosowania poprawnej technologii spalania, jest jednak praktycznie jedynym sposobem zielonej utylizacji odpadów, umożliwiającym uzyskanie minimalnej emisji substancji szkodliwych do otoczenia i maksymalnej sprawności termicznej, energetycznego recyklingu odpadów, które zgodnie z obowiązującymi przepisami unijnymi i krajowymi w blisko 40% są biodegradowalne i stanowią biomasę zaliczaną do odnawialnych źródeł energii (OZE) oraz są pełnowartościowym paliwem energetycznym. Celem pracy jest pokazanie, na przykładzie odpadów komunalnych z Grupowej Oczyszczalni Ścieków (GOŚ) w Łodzi, problemów związanych ze spalaniem tego typu materiału w kotłach rusztowych oraz zalet spalania ekologicznego. 139
Henryk Karcz i in. 2. METODA BADAŃ Uśrednioną próbę odpadów do badań pobrano z wysypiska odpadów komunalnych, usytuowanego w pobliżu GOŚ w Łodzi. Próbki pobrano z odpadów gromadzonych w kwietniu i maju 2011 r. Skład morfologiczny odpadów jest reprezentatywny wyłącznie dla tej partii, z której został losowo pobrany. Sposób wyboru próby reprezentatywnej był podobny do stosowanego podczas poboru reprezentatywnej próby węglowej ze składowiska. Analizy techniczne i elementarne składników morfologicznych oraz próby spopielenia i określenia charakterystycznych temperatur popiołu przeprowadzono w Zakładzie Kotłów i Turbin I.TC.MP we współpracy z Zakładem Chemii i Technologii Węgli Kamiennych i Pirolitycznych I.Ch. i T.N.W. Politechniki Wrocławskiej, zgodnie z odpowiednimi normami: wilgotność (W) według PN 80/G 04511 popiół (A) według PN 80/G 04512 części lotne (V) według PN 81/G 04516 ciepło spalania (Q c ) i obliczenie wartości opałowej (Q i ) według PN 81/G 044513 węgiel (C) według PN 59/G 04335 wodór (H) według PN 59/G 04339 azot (N) według PN 58/G 04345 siarka (S) według PN 58/G 04340 chlor (Cl) według PN-EN 15289 tlen (O) obliczono jako pozostałość karbonizat (K) obliczono jako pozostałość masa palna (M) jako suma części lotnych (V) i karbonizatu (K) popiół w karbonizacie (A k ) według PN-80/G-04512 części lotne w karbonizacie (V k ) według PN-81/G-044513 węgiel w karbonizacie (C k ) według PN-59/G-04335 koks w karbonizacie (K k ) jako pozostałość Proces spalania badano za pomocą aparatury pomiarowej metodą opisaną we wcześniejszych pracach [Karcz i in. 1980, 1983, Rybak i in. 1984, 1987, Karcz, Rybak 1979, Krysztof i in. 2007]. 3. SKŁAD MORFOLOGICZNY ODPADÓW KOMUNALNYCH Z AGLOMERACJI ŁÓDZKIEJ Skład morfologiczny odpadów komunalnych w dużej mierze zależy od regionu kraju, pory roku oraz od rodzaju aglomeracji. Skład morfologiczny odpadów w badanej próbie, niezależnie od jego bezwzględnego udziału, jest następujący: 140
Utylizacja odpadów komunalnych w energetycznych kotłach rusztowych... 1) odpady ceramiczne, 2) odpady szklane, 3) odpady metalowe, 4) odpady drewna budowlanego, 5) odpady makulatury papierowej, 6) odpady makulatury kartonowej, 7) odpady tworzyw sztucznych, 8) odpady PCV, 9) odpady tekstylne, 10) odpady skórzane, 11) odpady gumowe, 12) odpady organiczne pochodzenia roślinnego, 13) odpady organiczne mięsne, 14) odpady organiczne kostne, 15) brykiety z drewna mieszanego, 16) pelety z drewna mieszanego, 17) osady ściekowe. 4. WŁASNOŚCI FIZYKOCHEMICZNE PODSTAWOWYCH SKŁADNIKÓW ODPADÓW, OSADÓW ŚCIEKOWYCH I BIOMASY POCHODZĄCEJ Z DREWNA Własności fizykochemiczne wybranych składników morfologicznych odpadów komunalnych z wysypiska w Łodzi podano w tabeli 1., w której zamieszczono również wyniki analizy osadów ściekowych i biomasy pochodzącej z drewna. Wilgotność (W) składników odpadów jest bardzo zróżnicowana od 0,68 do 35,72%. Wilgotność dostarczanych osadów ściekowych, przytoczona jako punkt odniesienia, jest bardzo duża i sięga 78,12%. Bardzo zróżnicowana jest też zawartość substancji mineralnej. Substancja mineralna może wchodzić w chemiczny skład substancji palnej, może tworzyć odrębne struktury połączone fizycznie z substancją organiczną lub może je otaczać. Oddziaływanie substancji mineralnej w czasie termicznej utylizacji objawia się w różny, często nieprzewidywalny sposób, zarówno w fazie suszenia, wyjścia części lotnych, jak i spalania karbonizatu. Poszczególne składniki morfologiczne odpadów komunalnych w bardzo istotny sposób różnią się między sobą zarówno składem chemicznym, jak i fizyczną budową strukturalną. Ze względu na budowę fizykochemiczną poszczególnych gatunków morfologicznych odpadów należy traktować je jako odrębne strukturalne substancje. 141
Henryk Karcz i in. Tabela 1. Wyniki analizy technicznej i elementarnej głównych składników odpadów komunalnych pochodzących z aglomeracji Łódzkiej z okresu wiosennego Table 1. The results of technical and elemental analysis of the main components of municipal waste Lp. Rodzaj substancji A r % W r % V r % 1. 2. Odpady z drewna budowlanego Odpady papierowe (makulatura) Q c r kj/kg C r % H r % O r % N r % S r % Cl r % K r % M r % A d k % Vd k % Kd k % Cd k % 0,40 20,00 65,60 14460 40,80 4,80 33,35 0,20 0,10 0,35 14,00 79,60 0,54 82,00 17,06 96,48 14,0 23,20 59,88 9430 28,80 4,10 29,10 0,30 0,20 0,10 9,12 62,00 19,27 77,97 2,76 100,00 3. Odpady z kartonów 9,14 20,12 65,51 11190 34,67 4,10 31,70 0,20 0,10 0,23 5,23 70,74 5,42 88,26 6,55 100,00 4. Odpady z tworzyw sztucznych 3,48 1,34 69,74 24960 60,88 8,74 21,03 1,01 1,28 2,26 25,44 95,18 3,52 70,69 25,79 94,68 5. Odpady z PCV 7,26 0,68 64,25 25480 38,06 5,04 43,90 0,39 0,73 4,66 27,48 91,99 7,51 64,83 27,86 78,37 6. 7. 8. Odpady organiczne pochodzenia roślinnego Odpady organiczne mięsne Odpady organiczne kostne 5,01 28,45 57,39 11305 40,60 4,42 21,00 0,30 0,01 0,01 9,15 66,54 7,00 80,27 12,79 100,00 4,82 35,72 55,61 18420 35,72 5,94 17,00 0,72 0,08 0,00 3,85 59,46 7,50 86,51 5,99 100,00 40,16 4,84 30,45 10760 31,15 4,35 18,35 0,37 0,28 0,50 24,55 55,00 41,90 32,00 26,10 56,42 9. Odpady tekstylne 3,18 16,28 69,05 20860 52,68 4,95 21,45 0,86 0,42 0,18 11,45 80,54 3,80 82,48 13,72 94,65 10. Odpady skórzane 2,26 23,48 41,42 22460 31,87 4,82 35,92 0,96 0,68 0,01 32,84 74,26 2,95 54,15 42,90 86,02 11. Odpady gumowe 12,84 5,94 35,07 24180 64,15 4,94 11,05 0,18 0,75 0,15 46,15 81,22 13,64 37,28 49,08 73,85 12. Brykiety z drewna 0,66 11,84 72,00 16570 42,64 5,16 38,49 0,27 0,16 0,78 15,30 87,50 0,75 81,90 17,35 100,00 13. Pelety z drewna 0,68 9,62 73,84 16810 43,95 5,89 38,59 0,29 0,17 0,81 15,86 89,70 0,75 81,70 17,55 100,00 14. Osady ściekowe 9,42 78,12 8,89 1724 6,14 1,87 3,59 0,55 0,16 0,15 3,57 12,46 43,05 40,63 16,31 94,25 Objaśnienia: A popiół, W wilgotność, V części lotne, Q c ciepło spalania, C węgiel, H wodór, O tlen, N azot, S siarka, Cl chlor, K karbonizat, M masa palna, A k popiół w karbonizacie, V k części lotne w karbonizacie, K k koks w karbonizacie, C k węgiel w karbonizacie; indeks r oznacza stan roboczy, indeks d oznacza stan powietrzno-suchy. 142
Utylizacja odpadów komunalnych w energetycznych kotłach rusztowych... 5. PROCES SPALANIA W KOTŁACH RUSZTOWYCH 5.1. Czas zapłonu i całkowitego spalania Zależność czasu zapłonu (τ z ) badanych gatunków morfologicznych w komorze spalania o temperaturze t p =1000 o C (temperaturę tę przyjęto jako średnią występującą w warunkach termicznej utylizacji odpadów na ruszcie) w zależności od masy próbki, przedstawiono na rysunku 1. Czas ten jest bardzo zróżnicowany. Rys. 1. Czas zapłonu τ z w zależności od masy próbki m o Fig. 1. Ignition time τ z depending on the weight of the sample m o Całkowity czas spalania (τ c ) substancji badanych odpadów w zależności od ich masy przedstawiono na rysunku 2. Składnikiem paliwa, od którego zależy czas całkowitego wypalania danej substancji jest karbonizat (K r ), który pozostaje po odgazowaniu danej substancji. Od ilości karbonizatu pozostałego po odgazowaniu oraz jego struktury fizykochemicznej (skład chemiczny i sposób ułożenia siatek krystalicznych węgla) zależy szybkość wypalania się danego składnika odpadów. Zawartość karbonizatu (K r ) jako pozostałości po odgazowaniu w znacznej mierze zależy od rodzaju morfologicznego odpadów. Najmniejsza ilość karbonizatu pozostaje po odgazowaniu substancji organicznych pochodzących z mięsnych odpadów zwierzęcych (3,85%), z makulatury 5,23 9,12 oraz osadów ściekowych (3,57%) (tab.1). Największe ilo- 143
Henryk Karcz i in. ści karbonizatu pozostają po odgazowaniu odpadów pochodzących z PCV (27,48%) oraz odpadów skórzanych (32,84%) i gumowych (46,15%). W karbonizacie oprócz węgla występują inne pierwiastki, które wchodzą w skład substancji mineralnej. Pierwiastki te impregnują substancje układów krystalitów węglowych, zwykle znacznie spowalniając proces wypalania ziaren karbonizatów. Rys.2. Całkowity czas spalania τ c w zależności od masy próbki m o Fig. 2. The total combustion time τ c depending on the weight of the sample m o Różny czas wypalania (τ c ) różnych struktur morfologicznych o identycznej masie i rozdrobnieniu dezorganizuje proces spalania warstwy wsadu na ruszcie. Jednorodna początkowa warstwa paliwa na ruszcie staje się warstwą dziurawą, o strukturze sera szwajcarskiego. Część karbonizatu pochodząca z frakcji o najmniejszej reakcyjności w ogóle nie zdąży się spalić, powodując stratę niecałkowitego spalania w żużlu. W zależności od składu morfologicznego strata ta może być na tyle duża, że zmniejszy sprawność termiczną układu kotłowego o kilka procent, a pozostały żużel będzie stwarzać kłopot, ze względu na zawartość powyżej 5% części palnych. 5.2. Charakterystyczne temperatury popiołu Charakterystyczne temperatury popiołu badanych odmian morfologicznych odpadów, oznaczone metodą Bunte-Bauna [Kruczek 2001], przedstawiono w tabeli 2. 144
Utylizacja odpadów komunalnych w energetycznych kotłach rusztowych... Tabela 2. Charakterystyczne temperatury popiołu Table 2. Physical temperature of ash Lp. Rodzaj substancji Temperatura o C spiekania t s mięknienia t m topnienia t t płynięcia t p 1. Pelety, brykiety, kęsy z pospółki drzew liściastych 1175 1970 1305 1348 i iglastych 2. Drewno odpadowe poużytkowe- meblowe, 1148 1169 1205 1264 stolarskie 3. Odpady z drewna budowlanego 1145 1188 1224 1296 4. Odpady papierowe 994 1083 1207 1294 5. Odpady kartonowe 1016 1095 1232 1325 6. Odpady z tworzyw sztucznych 1285 1354 1468 1535 7. Odpady z PCV 1296 1368 1474 1512 8. Odpady organiczne pochodzenia roślinnego 708 785 824 917 9. Odpady organiczne mięsne 887 924 995 1064 10. Odpady organiczne kostne 942 985 1073 1168 11. Odpady tekstylne 1085 1169 1254 1315 12. Odpady skórzane 1012 1094 1216 1384 13. Odpady gumowe 1246 1318 1495 1524 14. Osad ściekowy 1195 1268 1384 1492 Charakterystyczne temperatury popiołu ściśle zależą od składu chemicznego substancji mineralnej spalanych odmian morfologicznych odpadów. Pierwiastki grupy metali alkalicznych (Mg, Ca) oraz grupy litowców (Na, K) znacznie obniżają temperaturę spiekania, mięknienia, topnienia i płynięcia popiołu [Karcz i in. 2004; Llorente, Garcia 2000]. Temperatura mięknienia odpadów pochodzenia roślinnego wynosi około 710 o C, odpadów mięsnych 890 o C, a odpadów kostnych 950 o C. Pierwiastki grupy węglowców (Si), borowców (Al) oraz żelazowców (Fe, Co, Ni) te temperatury znacznie podnoszą. Niskie temperatury topnienia i płynięcia, szczególnie odpadów kostnych, powodują dużą dezorganizację procesu spalania odpadów o małej reakcyjności. Płynna substancja popiołu pochodzącego ze spalania odpadów kostnych zatapia niespalony karbonizat np. z odpadów gumowych czy tekstylnych. Proces spalania zostaje przerwany, a wewnątrz powstaje niedopał w postaci niespalonego karbonizatu. Na fotografii 1. przedstawiono aglomeraty żużlowe, pobrane z leja żużlowego kotła rusztowego spalarni odpadów w Warszawie. Są one charakterystyczne dla żużli powstałych podczas spalania odpadów komunalnych, składających się z różnych gatunków morfologicznych o odmiennych własnościach fizykochemicznych. Negatywnym skutkiem takiego procesu spalania odpadów komunalnych na ruszcie jest zatapianie substancji palnej odpadów przez stopioną substancję mineralną popiołu. 145
Henryk Karcz i in. Fot. 1. Niedopał powstały w żużlu Photo 1. Underburnt material in slag 5.3. Granulacja paliwa Ważnym parametrem spalanego na ruszcie paliwa jest jego granulacja. Zbyt duże ziarna (nadziarna) mogą nie ulec całkowitemu wypaleniu, zbyt małe (podziarna) natomiast przesypują się przez ruszt, tworząc niedopał w żużlu i powodują stratę niecałkowitego spalania w żużlu (S nż ). Niewłaściwy dobór granulacji paliwa na ruszcie może spowodować znaczne straty w niespalonym karbonizacie w żużlu i w lotnym popiele. Zawartość części palnych w żużlu (S nż ) wskutek niewłaściwie dobranej granulacji paliwa może wynosić nawet 25 30% jego masy, a w lotnym popiele 15 20%. W przypadku spalania w kotłach rusztowych biomasy pochodzenia roślinnego, zwierzęcego i z biodegradowalnych odpadów, uzyskanie granulacji podawanej do kotła nadawy podobnej do granulacji paliw węglowych jest praktycznie niemożliwe. Wynika to między innymi ze struktury fizycznej poszczególnych składników morfologicznych odpadów oraz poszczególnych rodzajów biomasy. Uzyskanie jednorodnej granulacji, obojętne w jakim zakresie wymiarów ziaren, jest możliwe wyłącznie w przypadku jednego rodzaju biomasy. Uzyskanie takiej jednorodności w przypadku biomasy pochodzącej z różnych od- 146
Utylizacja odpadów komunalnych w energetycznych kotłach rusztowych... padów biodegradowalnych jest praktycznie niemożliwe. W danym zakresie wymiarów ziaren, udział masowy podziarna i nadziarna będzie charakterystyczny dla danego rodzaju substancji organicznej, lecz nie będzie charakterystyczny dla próby średniej spalanego wsadu. W przypadku spalania biomasy, obojętnie jakiego rodzaju, oprócz problemu granulacji pierwotnej występuje dodatkowo problem wtórnego rozpadu ziaren (fragmentyzacji) w trakcie procesu suszenia, szczególnie w fazie termicznego rozkładu substancji organicznej. W warunkach jakie występują w fazie suszenia i rozkładu termicznego, gdy ziarna paliwa są poddane procesowi udaru cieplnego od promieniowania sklepienia zapłonowego kotła oraz od promieniowania płomienia gazów pirolitycznych, ziarna wierzchniej warstwy paliwa są nagrzewane z szybkością 10 2 10 3 o C/s. W wyniku udaru cieplnego znaczna część fazy stałej substancji organicznej biomasy bardzo szybko przechodzi w fazę gazową. Wewnątrz ziarna gwałtownie rośnie ciśnienie, które powoduje rozpad ziarna na wiele mniejszych fragmentów, których liczba i wielkość zależą od rodzaju biomasy i szybkości nagrzewania. Przeprowadzono badania próbek o masie około 50 g. Próbki wprowadzono na tacy porcelanowej do wypełnionej azotem nagrzanej komory o określonej temperaturze. Badane próbki poddano procesowi udaru cieplnego w warunkach zbliżonych do tych, jakie występują w górnej warstwie paliwa pod sklepieniem zapłonowym. Po określonym czasie przetrzymywania w komorze o określonej temperaturze policzono oddzielne fragmenty (ziarna) powstałe w wyniku rozpadu początkowo jednolitej próbki. Na rysunku 3. przedstawiono zależność udziału masowego podziarna (poniżej 3 mm) badanych struktur biomasy i innych odpadów nieorganicznych od temperatury procesu. Udział masowy podziarna pochodzącego z dużych struktur masowych folii, PCV i gumy niezależnie od temperatury procesu suszenia i pirolizy jest niewielki. Ziarna pochodzące z tych substancji ulegają termicznej destrukcji w bardzo niewielkim stopniu i praktycznie występują w pierwotnej formie geometrycznej, a więc w postaci dużych ziaren jako nadziarno. Duże (pierwotne) ziarna, pochodzące z biomasy drzewnej i biomasy agro, ulegają procesowi termicznej destrukcji i przekształcają się w ziarna o coraz mniejszych rozmiarach ze wzrostem temperatury procesu. Wzrost udziału masowego podziaren ze wzrostem temperatury jest tym większy im dana substancja organiczna zawiera więcej części lotnych, a jej fizyczna struktura wewnętrzna jest luźniej upakowana. 147
Henryk Karcz i in. Rys. 3. Wpływ temperatury procesu i rodzaju odpadów na udział masowy podziarna powstającego w trakcie procesu suszenia i zapłonu Fig. 3. Impact of process temperatures and type of waste on the mass fraction of minus mesh formed during the process of drying and ignition Przebieg spalania różnych rodzajów biomasy jest więc różny, w zależności od temperatury procesu oraz sposobu fizycznego uformowania biomasy podawanej do komory spalania. Prosty i szybki rozpad następuje w przypadku fizycznie uformowanych struktur peletów i brykietów zachodzi tu głównie fragmentyzacja do struktur geometrycznych substancji pierwotnej. Bardzo rzadko obserwuje się wtórny rozpad wyjściowych ziaren trocin, otrąb, śruty czy zmiotków zbożowych, ponieważ wewnątrz ziaren takiej wielkości nie występuje wzrost ciśnienia. 6. CAŁKOWITE, ZUPEŁNE I EKOLOGICZNE SPALANIE ODPADÓW KOMUNALNYCH Przedstawione wyniki badań fizykochemicznych i kinetycznych wybranych odmian morfologicznych odpadów jednoznacznie wykazały, że nie można prowadzić termicznej utylizacji odpadów komunalnych stanowiących (dowolną) mieszankę różnych struktur morfologicznych w czasie ciągłego procesu przebiegającego w jednej przestrzeni reakcyjnej. Nakładanie się procesów termicznych, przebiegających w fazie gazowej i w fazie stałej, powoduje niekorzystne zjawiska, prowadzące do strat w postaci niecałkowitego spalania fazy stałej (karbonizatu) oraz emisji do otoczenia szkodliwych związków gazowych 148
Utylizacja odpadów komunalnych w energetycznych kotłach rusztowych... w postaci tlenków azotu (NO x ), tlenków siarki (SO x ) oraz chlorowodoru (HCl). Zjawisk tych podczas spalania odpadów w kotłach rusztowych nie da się uniknąć, ponieważ są to charakterystyczne własności technologiczne tego typu układów reakcyjnych. Rozwiązaniem problemu jest zastosowanie układu ciągłego procesu termicznego, rozdzielonego jednocześnie w czasie i w przestrzeni. Układ taki powstaje, gdy proces suszenia i odgazowania zachodzi w przestrzeni o atmosferze redukcyjnej, w której temperatura jest niższa od temperatury spiekania popiołu (t s ). Powstałe w tej części procesu gazy pirolityczne są odprowadzone do przestrzeni komory spalania w kontrolowanej atmosferze reakcyjnej i określonym reżimie temperaturowym, tak aby ilość powstałych NO x była minimalna. W strefie suszenia i pirolizy powinna być również dokonana redukcja zawartych w odpadach siarki i chloru za pomocą wprowadzanego równocześnie z odpadami węglanu wapnia. Powstające w trakcie odgazowania popiół i karbonizat powinny być bezpośrednio podane do tej części komory spalania w której, oddzielnie od gazów pirolitycznych, w ściśle określonej temperaturze przestrzeni reakcyjnej mniejszej od temperatury spiekania (t s ) popiołu, karbonizat zostanie całkowicie spalony. Układ technologiczny, w którym poszczególne fazy ciągłego procesu termicznej utylizacji przebiegają w ściśle określonych warunkach termodynamicznych i w określonej atmosferze gazowej, umożliwia całkowite, zupełne i w pełni ekologiczne spalanie. Układ taki zapewnia osiągnięcie maksymalnej sprawności termicznej oraz bezpieczeństwa ekologicznego. Tak zaprojektowana termiczna utylizacja odpadów komunalnych jest realizowana w układzie technologicznym typu K. Proces i instalacja są chronione patentami i zgłoszeniami patentowymi [Karcz, Butmankiewicz 2003; Karcz i in. 2003]. Instalacja składa się z układu przygotowania i podawania odpadów wraz z układem podawania katalizatora wapniowego. Proces suszenia i odgazowania jest inicjowany i podtrzymywany przez płomień paliwa wspomagającego, którego ilość ściśle zależy od wilgotności podawanych odpadów oraz od ciepła rozkładu utylizowanej substancji. Wydzielany w trakcie odgazowania chlor i tlenki siarki są neutralizowane w tej fazie procesu przez gazowe tlenki wapnia, powstajace w wyniku termicznego rozkładu CaCO 3. Temperatura w obrotowej komorze suszenia i pirolizy jest ściśle kontrolowana i zawsze mniejsza od temperatury spiekania. W komorze obrotowej następuje rozkład substancji odpadów na fazę gazów pirolitycznych i stałą fazę karbonizatu. Gazy pirolityczne są odprowadzane do komory fluidalnej, z którą bezpośrednio łączy się komora obrotowa. Spalają się one w górnej części komory fluidalnej w obecności powietrza doprowadzonego w kilku strefach tak, aby temperatura płomienia nie była wyższa niż 1250 1300 o C. Karbonizat i popiół są odprowadzane do złoża fluidalnego, które zamyka komorę fluidalną od spodu. Karbonizat, popiół i materiał inertny stanowią substancję złoża fluidalnego. Karbonizat w złożu spala się w określonej atmosferze tlenowej, w określonej temperaturze, kontrolowanej przez skład gazu fluidyzacyjnego i koncentrację karbonizatu w złożu. Warunki termiczne są zawsze takie, aby temperatura złoża nie przekroczyła temperatury mięknie- 149
Henryk Karcz i in. nia popiołu (t m ). Gazy spalinowe na wylocie z komory fluidalnej i komory separacji są częściowo oczyszczone z lotnego popiołu, a całkowite dopalanie ewentualnie niespalonych gazów palnych i lotnego koksiku zachodzi w strefie popłomiennej płomienia olejowego lub gazowego palnika umieszczonego w komorze dopalania. Do górnej części komory dopalania, w strefie temperatur 950 1000 o C, jest wdmuchiwany, w postaci fazy stałej, mocznik, który umożliwia zmniejszenie zawartości NO x w spalinach na wyjściu z instalacji kotłowej do wartości mniejszej niż 100 mg/m 3. Termiczna utylizacja odpadów komunalnych w układzie technologicznym typu K praktycznie w całym zakresie spełnia normy emisji w fazie gazowej i stałej, określone przez odpowiednie dyrektywy unijne i rozporządzenia krajowe. 7. WNIOSKI Termiczna utylizacja odpadów komunalnych za pomocą technologii wykorzystującej kotły energetyczne z rusztem wędrownym, schodkowym, wibracyjnym lub wirującym jest technologią o małej sprawności termicznej i ekologicznej, w której powstaje stały odpad popiołowo-żużlowy o udziale masowym części palnych do 30%. Powstający w procesie spalania popiół jest odpadem, który musi być składowany na specjalnie do tego celu przeznaczonych składowiskach lub musi zostać poddany procesowi termicznej utylizacji w piecach cementowniczych. Termiczna utylizacja odpadów komunalnych w kotłach rusztowych jest technologią jedynie zmniejszającą objętość utylizowanych odpadów, a nie likwidującą odpady jako zagrożenie dla środowiska naturalnego. Technologia typu K umożliwia ograniczanie zawartości siarki, tlenku węgla, wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (WWA) i sadzy w spalinach, a także całkowite wyeliminowanie powstawania dioksyn i furanów oraz wszelkiego fetoru metodami pierwotnymi, w trakcie procesu odgazowania i spalania w komorze kotła. Technologa ta umożliwia również ścisłą kontrolę ilości powstających tlenków azotu, chlorowodoru, lotnego koksiku i lotnego popiołu. Stosując termiczne przekształcanie odpadów metodą K, można jednocześnie redukować ilość składowanych odpadów ulegających biodegradacji (dyrektywa 1999/31/WE) oraz pozyskiwać użyteczne formy energii cieplnej, chłodu i energii elektrycznej z OZE (dyrektywa 2001/77/WE) w sposób kontrolowany i bezpieczny dla środowiska naturalnego, co jest szczególnie ważne w aspekcie zobowiązań Polski wynikających z Traktatu Akcesyjnego. PIŚMIENNICTWO I AKTY PRAWNE KARCZ H., KORDYLEWSKI W., RYBAK W. 1980. Evaluation of kinetic parameters of coal ignitron. Fuel 59 (11) 799 802. 150
Utylizacja odpadów komunalnych w energetycznych kotłach rusztowych... KARCZ H., RYBAK W. 1979. Metoda wyznaczania masowej szybkości spalania ziaren pyłu węglowego. Archiwum Termodynamiki Spalania 10. (2): 249 261. KARCZ H., KORDYLEWSKI W., RYBAK W. 1983. Charakterystyki spalania węgla. Archiwum Termodynamiki Spalania 4 (2/3): 29 43 KARCZ H., KOZAKIEWICZ A., BUTMANKIEWICZ T. 2004. Termiczny proces utylizacji osadów ściekowych. Zeszyty Naukowe Politechniki Łódzkiej 944: 103 119 KARCZ H., BUTMANKIEWICZ T. 2003. Sposób i urządzenia do termicznej utylizacji odpadów organicznych. Patent wg zgłoszenia patentowego P362586 z dnia 02.10.2003 r. KARCZ H., BUTMANKIEWICZ T., SIKORSKI W. 2003. Sposób i instalacja spalania odpadów zwierzęcych. Patent do zgłoszenia P360207 z dnia. 19. 05.2003 r. KRUCZEK S.T. 2001. Kotły. Oficyna Wydawnicza Pol. Wrocławskiej, Wrocław. KRYSZTOF M., FOLGA K., KOMOROWSKI W., KUBIAK J., KANTOREK M., KARCZ H. 2007. Wpływ sposobu spalania biomasy w kotłach rusztowych na parametry eksploatacyjne kotła. W: Paliwa z odpadów 2007. Materiały VI Międzynarodowej Konferencji w Krynicy Górskiej, 24 26. X. 2007 r. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice LLORENTE M.J.F., GARCIA I.E.C. 2005. Comparing methods for prediting the sintering of biomass ash in combustion. Fuel 84 (14 15): 1893 1900. PAJĄK T. 2007. Spalanie odpadów komunalnych potrzeby, realia, perspektywy budowy. W: Termiczne przekształcanie odpadów. Restrukturyzacja procesów termicznych. J. W. Wandrasz (red.) Wyd. Futura, Poznań. PAJĄK T. 2008. Energia z odpadów ogólne uwarunkowania i bariery. Perspektywy energetycznej utylizacji odpadów komunalnych. Podkarpacka Agencja Energetyczna, Rzeszów. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 21 marca 2002r. w sprawie wymagań dotyczących prowadzenia procesu termicznego przekształcania odpadów (Dz. U. nr. 37 z 2002 r. poz. 339 ze zmianami, Dz. U. nr.1 z 2004 r. poz. 2) Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 20 grudnia 2005r w sprawie standardów emisyjnych z instalacji (Dz. U. nr 260 z 2005 r. poz. 2181) RYBAK W., KARCZ H., ZEMBRZUSKI M. 1984. Evoluation of intrinsic kinetic parametrrs of coal combustion. Fuel 63 (40): 448 493. RYBAK W., KORDYLEWSKI W., KARCZ H. 1987. The kinetics of combustion of coal vilatiles. Fuel. 66 (1): 139 141. 151