Pyrolýza pro netříděný odpad PODTITULEK: Porovnávání technologií Na území České republiky bylo v roce 1998 vyprodukováno 3,8 mil. tun tuhého komunálního odpadu (bez kalů ze septiků a čističek odpadních vod). V tomto množství tvoří zhruba 90 % domovní odpad a 10 % odpad z údržby veřejných...
Pyrolýza pro netříděný odpad
PODTITULEK: Porovnávání technologií
Na území České republiky bylo v roce 1998 vyprodukováno 3,8 mil. tun tuhého komunálního odpadu (bez kalů ze septiků a čističek odpadních vod). V tomto množství tvoří zhruba 90 % domovní odpad a 10 % odpad z údržby veřejných prostranství. Nejčastějšími způsoby likvidace jsou separace s následnou recyklací, skládkování na vyhražených skládkách a spalování ve spalovnách.
První způsob je do jisté míry módní záležitostí současné doby. Ne vždy je však recyklace technicky přínosná a ekonomicky přijatelná. Opakovaně ji lze provádět jen u některých surovin, především u kovů. U většiny odpadů (plasty, papír, textil, stavební materiál ap.) dojde při opakované recyklaci ke ztrátě mechanických a chemických vlastností v takovém rozsahu, že je již nelze opětovně recyklovat. Metody recyklace se rozhodně nedají použít pro veškerý komunální odpad.
Druhý způsob je nejsnadnější. Představuje však značnou ekologickou zátěž na mnoho let do budoucna a je jako trvalý způsob likvidace odpadů nepřijatelný. Jistým řešením jsou procesy biodegradace s energetickým využitím vzniklého plynu.
Třetí způsob představuje tepelnou degradaci odpadů s energetickým využitím vzniklého tepla. Praxe však ukázala, že spalovny odpadů jsou technicky proveditelné jen pro velká zpracovávaná množství odpadů. Navíc produkují nebezpečné a zdraví škodlivé látky, které se v původním odpadu ani nenacházely. Investiční a provozní náklady jsou extrémní. Ani tuto metodu likvidace odpadů nelze do budoucna preferovat.
Četné ekonomické studie se shodují na tom, že průměrná částka na zpracování jedné tuny komunálního odpadu v České republice se pohybuje v rozmezí 1500 až 1900 Kč za tunu odpadu (v cenové úrovni roku 1999). Pro srovnání -v Německu se zpracovací náklady pohybují v rozmezí 250 až 800 DM za tunu. Ekonomický efekt ze zisku energií a vytříděných surovin při současných cenách ani v jednom případě plně tento náklad nepokryje. Rozdíl nutně musí uhradit obecní a městské úřady a obyvatelstvo.
Možný zdroj
Komunální odpad je alternativním zdrojem energie a některých cenných surovin. Technologii jeho zpracování je nutno orientovat tak, aby neohrožovala a nezatěžovala životní prostředí, byla široce použitelná a pořizovací a provozní náklady byly co nejnižší. Vhodnou technologií pro takový účel je, podle mého názoru, pyrolýza.
Spalování využívá tepla, které vzniká při procesu oxidace (hoření) k rozkladu organických makromolekul na oxidy a vodu. Spalovací komora působí jako chemický reaktor. Napřed se při teplotách hoření (které jsou vysoké) organické makromolekuly slučují s kyslíkem na oxidy, aby pak postupným chladnutím při cestě do komína některé atomy rekombinovaly na nové komponenty. Mnohdy jsou tyto nové sloučeniny nebezpečnější než původní látky z odpadů.
Pokud je například v odpadu přítomen chlor, vzniká rekombinací vysoce korozivní HCl a nebezpečné chlorované uhlovodíky, dále dioxiny a furany. Když jsou v odpadu kovy a jiné nespalitelné minerály, buď se odpaří, oxidují nebo nastane mechanický rozklad na prach, který je unášen spolu se spalinami. Unášené částice odejdou komínem do okolí spalovny, nebo se odloučí jako kal v čističkách spalin. I tyto vedlejší produkty jsou stejně nebezpečné jako původní odpady, které vstoupily do procesu spalování. V kalech nebo prachu jsou přítomny toxické sloučeniny olova, arsenu, rtuti, kadmia, mědi, thalia. Dá se předpokládat výskyt i řady dalších nebezpečných sloučenin, které při silném zředění ve spalinách nelze detekovat.
Výhody pyrolýzy
Pyrolýza je fyzikálně-chemický proces, využívající cizího -vnějšího -tepla k rozkladu organických makromolekul. Na rozdíl od spalování probíhá proces v hermeticky uzavřeném prostředí bez přítomnosti kyslíku, při teplotách podstatně nižších. Tím mohou elementární atomy vzniklé rozkladem rekombinovat jen ve velmi omezené míře, obvykle na sloučeniny, které nejsou toxické nebo jinak nebezpečné. Objem pyrolýzního plynu je asi 6,5krát menší oproti spalinám, takže proud plynu neunáší prachové částice. Nevznikají oxidy kovů. Proces čistění pyrolýzního plynu je snazší a účinnější. Těžké kovy a některé jiné prvky jsou vázány na zkarbonovaný zbytek, a je-li ve vsázce přítomno vápno, vážou se na nerozpustné vápenaté sloučeniny. Pyrolýzní plyn je po vyčistění průmyslově využitelný. Čistěním vzniklé kaly jsou vápenatými sloučeninami a nejsou nebezpečné.
Rozsáhlý výzkum, provedený v minulých letech v některých institutech Evropské unie naznačil nevhodnost spalovacího procesu pro likvidaci komunálních odpadů, a naopak výhodné vlastnosti pyrolýzních technologií pro tento účel. Výsledky výzkumu (výzkumný úkol EU -DG XIII) byly shrnuty závěrečného hodnocení (viz tab.).
Charakteristické uspořádání zpracovacích jednotek představuje zařízení s kapacitou 24 000 tun zpracovaného odpadu za rok a je koncipováno pro oblast, v níž žije asi 50 000 obyvatel se svoznou vzdáleností do třiceti km. Jádro procesu tvoří vždy předpříprava odpadu včetně skladování, dvoustupňová pyrolýza, krakování plynu, výroba páry a úprava karbonu. Další zařízení jsou modifikovaně připojitelná podle místních podmínek a způsobu zužitkování energie obsažené v pyrolýzním plynu, páře a karbonu. To zásadním způsobem ovlivňuje investiční i zpracovatelské náklady. Jednotka je doplněna zařízením na výrobu elektrické energie, tepla a inertní strusky. Budovy mají malé nároky na prostor i vliv na okolí.
Technologie
Městský odpad je přímo přivážen automobily upravenými na sběr odpadu z kontejnerů a popelnic a sklápěn do jedné ze tří jímek s pohyblivým (krokovacím) roštem. Předpříprava odpadu zahrnuje první stupeň drcení, následující magnetickou separaci, druhý stupeň drcení a dopravu do skladovacích nádrží. Skladování odpadu ve dvou vertikálních silech slouží k vyrovnání nerovnoměrného sběru odpadu. Kapacita nádrží je navržena na třídenní provoz. V poloprovozních zkouškách byla rovněž testována jednotka na částečnou biodegradaci, přímo navázaná na skladovací nádrže, která zvyšuje zisk procesního plynu.
Odpad je z nádrží dopravován do prvního stupně pyrolýzního procesu -do sušičky. Sušička je rotační, hermeticky uzavřená, otápěná parou z kotle za reaktorem. Teplota sušení je 200 řC. Protože proces probíhá bez přístupu vzduchu, dochází již zde k částečné pyrolýze papíru celulózy, dřeva, textilu a k natavení některých plastů. Do násypky sušičky je přidáván jednak filtrát (pevný zbytek) z čističky procesních vod, jednak kal z externí biologické čističky odpadních vod, nebo částečně zpracovaný odpad z biodegradační jednotky. Vyzkoušeno je přidávání i některých filtrátů z průmyslových čističek a přidávání nemocničního odpadu, pokud již není obsažen v původních odpadech.
Plyn a pevný podíl postupují spolu z prvého do druhého stupně pyrolýzy. Vlastní reaktor je rovněž rotační. Teplota karbonizace je 550 řC. Proces probíhá bez okysličovadla za mírného podtlaku, který je vytvářen sáním plynového dmychadla. Vnitřní prostor válce je otápěn nepřímo z odděleného spalovacího prostoru. Ve spalovacím prostoru se spaluje vyčištěný pyrolýzní plyn. Horký, surový pyrolýzní plyn je odváděn do krakovací jednotky, zkarbonovaný zbytek je šnekovým podavačem dopravován k další úpravě a zplyňování.
Protože surový pyrolýzní plyn obsahuje ekologicky nepřípustné komponenty, je dále upravován v krakovací jednotce. Tento třetí stupeň však není nutný, pokud je možno využít pyrolýzní plyn v jeho surové podobě, například ve slinkovacích pecích.
V krakovací jednotce dochází ke štěpení a katalytické degradaci pentanů, furanů, H2S a jiných vícemolekulárních plynných složek při teplotách okolo 1000 řC. K dosažení tak vysoké teploty je reakční prostor ohříván vloženým hořákem, který spaluje vyčištěný pyrolýzní plyn. Výstupem krakovací jednotky je nízkokalorický plyn, obsahující však ještě sirné složky a prach.
Protože výstupní plyn je nositelem velkého množství tepla, je bezprostředně za krakovací jednotku zařazen parní kotel na výrobu středotlaké syté páry. Asi 25 % vyrobené páry je spotřebováno ve vlastním procesu.
Součástí třetího stupně pyrolýzního procesu je také likvidace zkarbonovaného zbytku. Rovněž tato část procesu není nutná, pokud je možno zkarbonovaný zbytek bez ekologických následků využít jinak, například jako nauhličovací vsázky v ocelárnách, slévárnách nebo vysokých pecích.
Zkarbonovaný zbytek je vynášen z reaktoru chlazeným dopravníkem a tříděn na vibračním třídiči. Podsítné, obsahující karbon, keramiku, sklo a drobné částečky kovů, je dopravováno do zplyňovače. Nadsítné tvoří převážně zbytky barevných kovů, především hliníku. Získané barevné kovy jsou dodávány do slévárny mimo vlastní provozovnu.
Karbon, převážně obsažený v podsítném, je zplyňován na CO-plyn procesem potlačeného spalování ve vysokoteplotním reaktoru. Karbon je do reaktoru dopravován práškovým hořákem. Oxidačním činitelem je čistý kyslík, odebíraný z kryogenního zásobníku. Teplota ve zplyňovací komoře je 1600 řC. Díky tak vysoké teplotě dochází v reaktoru k roztavení paliva a k reakcím, které produkují téměř čistý CO-plynu a strusku z ostatních komponent. Vznikající struska má granulovitost asi 5 mm. Je ochlazována a odlučována ve spodní části reaktoru. Struska je inertním materiálem, vhodným k uložení na skládce.
Byly učiněny úspěšné pokusy s využitím této strusky jako stavebního materiálu, dále při výrobě keramických kanalizačních potrubí, výrobě dlaždic a jako podkladu do chodníků. Ochlazený CO-plyn je po výstupu z reaktoru přimícháván k primárnímu pyrolýznímu plynu.
Pokud nelze pyrolýzního plynu využít v surovém stavu, je nutné jeho dočištění v několika procesních krocích. Obsahuje několikastupňovou vypírku H2S, NH3, a dalších komponent vodným roztokem NaOH. Procesní voda je čištěna a upravována v provozní čističce vod. U některých z provozovaných zařízení je využíváno kapacity místní biologické čističky komunálních vod. Odloučený kal je přidáván k odpadu před sušičkou.
Vyčištěný pyrolýzní plyn je nízkokalorický plyn. Jestliže je plyn čistěn, je obvykle využíván k ohřevu reaktoru a k výrobě elektrické energie v plynových motor-generátorech. Pozoruhodností je skutečnost, že vzduch pro motory je odebírán z větracího systému budovy. Tímto způsobem je likvidován odsávaný vzduch znečistěný pachy, hlavně z prostoru přípravny odpadu. Elektrická energie je dodávána do veřejné sítě. Byly učiněny pokusy s využitím elektrické energie k vlastní výrobě kyslíku a dusíku zkapalňováním vzduchu. Tento proces však nebyl tak ekonomicky přínosný, aby mohl konkurovat přímému nákupu obou plynů z externích zdrojů.
V současnosti je v poloprovozních zkouškách tzv. bioreaktor. Je to jednotka paralelně přiřazená k zásobníkům upraveného odpadu na konci přípravné linky. Mechanicky upravený odpad je napřed naředěn vodou a pak v bioreaktoru rychlou biologickou degradací částečně rozložen na bioplyn a tuhý zbytek. Bioplyn obohacuje svým obsahem metanu vyráběný pyrolýzní plyn, tuhý zbytek (bio-kal) je přidáván zpět do procesu před sušičku. Protože biodegradační proces je velmi vhodný pro zpracování potravinářských odpadů, předpokládá se, že do procesu bude možno přidávat tekuté a polotekuté potravinové zbytky z hotelů a restaurací. Bioreaktor tak dále rozšíří zpracovatelské možnosti pyrolýzního zařízení a zvýší jeho energetickou výkonnost jako alternativního zdroje energie.
Zařízení s průsadou 2500 kg/h a roční kapacitou 24 000 tun odpadu stojí v popsané konfiguraci 36 mil. DM. Vyrábí 11,7 GWh elektrické energie za rok při pohotovém výkonu 1,6 MWel. Výroba tepla bez vlastní spotřeby představuje 27,6 GWh za rok. Kromě uvedeného se z procesu za rok také získá 480 tun Fe-kovů, 360 tun barevných kovů, hlavně hliníku a 3900 tun granulované strusky.
František Sýkora
Pyrolýza
Nepřítomnost kyslíku, teploty 540 až 550 řC, doba asi 20 min. Zabráněno tvorbě kysličníků a makromolekul vázaných kyslíkem.
Různé směsi netříděného odpadu, složení nemá vliv na proces.
Výkon 25 -100 % nominální kapacity zařízení. Proces lze přerušovat.
Malé množství spalin (asi 750 až 800 Nm3 na tunu odpadu), není nutno dále čistit.
Nevznikají NOx, dioxiny, furany, kysličníky síry a další.
Spaliny ani pyrolýzní plyn neobsahují oxidy těžkých kovů ani toxické plyny -jsou inertně vázány na pevný zbytek.
U systémů s vodní vypírkou obsahuje oběhová voda CaCl2, který je extrahovatelný. Odloučený kal neobsahuje těžké kovy.
Pevný pyrolýzní zbytek obsahuje přibližně 330 kg na tunu polokoksu o výhřevnosti 17 GJ/t -lze využít jako palivo (cementárny, vysoké pece, ocelárny, slévárny kovů).
Energie odpadu se převádí do tepla, plynu a polokoksu. Energetický efekt není příliž vysoký, lze zvýšit zplyňováním polokoksu.
Energeticky soběstačný proces, využívá asi 20 % vyrobeného pyrolýzního plynu, 40 % vyrobeného tepla a elektrickou energii z kogenerační jednotky.
Malé nároky na spotřebu vody pro chlazení a čistění plynu.
Lze stavět jako malokapacitní místní zpracovatelská zařízení. Náklady na sběr, dopravu a skládkování odpadu jsou nízké.
Nízké pořizovací náklady.
Nízké zpracovatelské náklady.
Exhalace pod limitem norem.
Spalování
Oxidace, teploty nad 850 řC, doba do 2 sek. Podmínky pro rekombinaci atomů.
Odpady s minimální výhřevností 12 MJ/t. Vyloučeny odpady s obsahem těžkých kovů (minerální oleje, mazadla, pneumatiky ap.).
Výkon lze řídit omezeně v rozmezí 85 -100 % nominální kapacity. Proces musí pracovat nepřetržitě.
Velké mn žství spalin (asi 5000 Nm3 na tunu odpadu). Čistění je provozně náročné.
Ve spalinách vznikají NOx, dioxiny, furany, kyseliny, kysličníky síry, kyanidy a další. Ve spalinách po vyčistění zůstává asi 2,8 kg škodlivin na 1 tunu odpadu.
Spaliny obsahují oxidy těžkých kovů a těkavé toxické plyny, protože se nevážou do popela.
Voda z mokrého čistění spalin obsahuje až
300 kg toxických kalů (deponovat na speciálních skládkách).
Odprašky ze spalinových filtrů jsou vysoce toxických (třída odpadů 1+, množství 30 kg na tunu). Nutné uložení na speciálních skládkách.
Veškerá energie odpadu převedena do tepla spalin. Vyráběné množství nelze omezovat.
Může být energeticky soběstačný jen u odpadů se zaručenou minimální výhřevností. Výroba elektrické energie pro vlastní spotřebu v parních turbinách je investičně a provozně příliš nákladná.
Vysoké nároky na spotřebu vody pro chlazení a čistění. (Asi 0,65 m3 na tunu odpadu).
Nelze stavět jako malé lokální jednotky (nákladný systém čistění spalin a nutnost energetické stability odpadu). Náklady na sběr, dopravu a skládkování odpadu jsou vysoké.
Vysoké pořizovací náklady.
Vysoké zpracovatelské náklady.
Exhalace na hranici existujících norem. Nutné dodatečné investiční náklady.
