Spalovna a životní prostředí PODTITULEK: Omezení produkce dioxinů Řízené spalování tuhého komunálního odpadu je jako metoda používáno více než 100 let. Spalovny měly významnou funkci hygienickou - zamezení šíření epidemií přenosných nemocí. Později byla metoda termického zpracování tuhých...
Spalovna a životní prostředí
PODTITULEK: Omezení produkce dioxinů
Řízené spalování tuhého komunálního odpadu je jako metoda používáno více než 100 let. Spalovny měly významnou funkci hygienickou - zamezení šíření epidemií přenosných nemocí. Později byla metoda termického zpracování tuhých komunálních odpadů (tko) používána k výraznému zmenšení objemu odpadu, protože spalovacím procesem lze snížit původní objem odpadu až o 90 %. Především po druhé světové válce byly spalovny budovány jako teplárny, využívající energetického potenciálu odpadu k výrobě tepelné a elektrické energie.
Jen ve Francii je v současné době v provozu 225 spaloven TKO a ročně spálí kolem 11,3 miliónu tun tuhého komunálního odpadu. V České republice jsou v provozu tři velké spalovny - v Brně, v Praze-Malešicích a v Liberci. V roce 1999 spálily asi 350 tis. tun TKO, přičemž celková projektovaná kapacita těchto spaloven je 646 tis. tun TKO/rok.
Brněnská spalovna
Spalovna komunálního odpadu společnosti SAKO, a. s., v Brně byla uvedena do provozu v roce 1989 jen s tzv. prvním stupněm čištění spalin, který spočívá pouze v odlučování tuhých látek ze spalin na elektrostatických filtrech. V roce 1992 bylo rozhodnuto o dostavbě druhého stupně čištění spalin, byla zvolena polosuchá vápenná metoda rozšířená o dávkování aktivního uhlí do proudu spalin.
Principem metody je řada chemických reakcí probíhajících mezi souproudem plynných horkých kyselých složek spalin (HCl, HF, SO2, SO3) a alkalickým sorbentem, což je rozprášená nástřiková suspenze, kterou je hydrát vápenatý - vápenné mléko. Do kouřovodu každé linky mezi absorber a tkaninové filtry zachycující suché reakční produkty se přivádí aktivní uhlí pro dosažení dostatečného stupně separace nežádoucích složek, které nemohly být předchozími reakcemi ze spalin odstraněny. Jedná se především o mikrosložky, jako jsou těkavé organické látky typu dioxinů, polyaromatických uhlovodíků, polychlorovaných bifenylů a dále rtuť a ostatní těkavé složky především těžké kovy obsažené ve spalinách.
Spalovny TKO mají předepsány emisní limity pro škodliviny dle vyhlášky č. 117/97 Sb. Od loňského roku vyhláška MŽP č. 97/2000 Sb. nově stanovuje emisní limit i pro dioxiny. Organické chemické látky dnes můžeme najít rozšířené prakticky po celé planetě. Do jednotlivých složek prostředí se dostávají z různých přírodních i antropogenních zdrojů. Díky svým vlastnostem se mohou kumulovat v abiotických i biotických složkách prostředí. Po vstupu do živých organismů se mohou projevit jejich negativní vlastnosti již v malých koncentracích.
Nejproblematičtější vlastnosti z hlediska možného nebezpečí pro životní prostředí jsou:
[*] toxicita - schopnost látky způsobovat poškození nebo smrt živých organismů,
[*] perzistence - schopnost látky zůstat v prostředí po dlouhou dobu beze změny,
[*] bioakumulace - proces, během kterého živé organismy mohou zachytávat a koncentrovat chemické látky buď přímo z okolního prostředí, ve kterém žijí, nebo nepřímo z potravy,
[*] dálkový transport - potenciál látky cestovat od původního zdroje do oblastí vzdálených i tisíce kilometrů, kde se nikdy nevyráběly a nepoužívaly,
[*] produkce v určitém množství.
Pravděpodobně nejproblémovější skupinou organických sloučenin v prostředí jsou látky označované jako semivolatilní, persistentní organické polutanty (SPOPs). Mezi POPs, patřící do kategorie vedlejších produktů různých antropogenních aktivit, patří především polycyklické aromatické uhlovodíky a dioxiny. Dioxiny je triviální název pro polychlorované dibenzo-p-dioxiny (PCDD) a polychlorované dibenzofurany (PCDF). Tyto látky se téměř vždy vyskytují současně v podobě směsí několika kongenerů. Jejich celkový počet u PCDD je 75 a u PCDF 135.
Stanovení PCDD/PCDF je značně náročné na odběr vzorků, úpravu vzorků i vlastní analýzu, která je závislá na přístrojovém vybavení, kvalitě standardů i erudici analytiků. Proto je také velmi finančně nákladné. Přehlížet nelze ani bezpečnostní opatření při práci s mimořádně toxickými standardy.
Ze spalovacích pochodů se mohou do prostředí dostávat dioxiny trojího původu:
[*] Obsažené již ve spalovaném materiálu, které se za podmínek spalování nerozložily z důvodu nízké teploty spalování nebo v důsledku krátké doby zdržení spalin ve spalovacím prostoru.
[*] Vznikající při spalování odpadů obsahujících možné prekurzory jejich vzniku, jakými jsou PCB, pentachlorfenoly, některé chlorované pesticidy a PVC.
[*] Vznikající de novo syntézou spalováním materiálu obsahujícího organický uhlík, případně i oxid uhličitý, kyslík a chlor za přítomnosti katalyzátorů (např. měďnatých solí, aj.).
Tvorba dioxinů závisí především na teplotě, množství reaktivního chloru ve spalovaném materiálu, množství kyslíku, množství a druhu katalyzátorů a rovněž na podílu PIC (produkty nedokonalého spalování). PCDD/PCDF vznikají téměř lineárně s rostoucími teplotami od 200 do 600 řC a opět téměř lineárně se při teplotách od 400 do 1000 řC odbourávají. Kritické je proto rozmezí teplot 200 až 400 řC a doba prodlení spalin při této teplotě.
Zatím se nepodařilo pro spalovací režimy v průmyslovém měřítku vytvořit spolehlivé modely, které by vystihly množství a kongenerové složení vznikajících dioxinů. Existuje shoda názorů, že pro spolehlivý rozklad dioxinů je třeba teploty 1050 řC po dobu alespoň dvou sekund. K dosažení vysokého stupně vyhoření uhlíku a jeho přeměny na CO2 jsou nutné relativně vysoké teploty a relativně dlouhé doby setrvání produktů spalování na této teplotě. Vysoké teploty, zejména teploty vyšší než 1000 řC, vedou však k navýšení obsahů NOx v kouřových plynech.
Řešením je optimalizace spalovacího procesu (tzv. pravidlo 3T):
[*] za optimální se považuje teplota nejméně 850 řC v rovině posledního přívodu spalovacího vzduchu (temperature),
[*] minimalizace nehomogenního teplotního pole při spalování (turbulence),
[*] doba setrvání spalin na této teplotě po dobu nejméně 2 sekund (time),
[*] předehřev primárního vzduchu a jeho dávkování v závislosti na kalorické vydatnosti odpadu,
[*] kontinuální provoz,
[*] snížení přebytku kyslíku,
[*] snížení teploty v elektrostatických odlučovačích z běžných 250-260 řC na 160 řC,
[*] snížení obsahu tuhých částic ve spalinách (elektrostatické odlučovače, tkaninové filtry),
[*] odstranění materiálů, které obsahují prekurzory vzniku, jako např. plasty na bázi PVC, odpad kontaminovaný PCB, PCP, odpady s vysokým obsahem chloridů,
[*] vyloučení kovových katalyzátorů.
Tvorbu dioxinů ve spalovnách nelze plně potlačit, takže musí být zařazen další čistící stupeň.
Tkaninové odlučovače
V brněnské spalovně SAKO byla licenzorem druhého stupně čištění spalin švédská firma ABB Fläkt, která garantovala výstupní koncentrace jednotlivých sledovaných škodlivin. Druhý stupeň čištění spalin byl uveden do zkušebního provozu v polovině května 1994. Spaliny spolu s reakčními produkty čištění jsou zavedeny na tkaninové odlučovače, kde se zachytí veškeré pevné částice ze spalin. Vyčištěné spaliny jsou vedeny pomocí spalinových ventilátorů přímo do komínu. Těsně před vstupem do komínu jsou umístěny analyzátory, které kontinuálně měří emise v kouřových plynech (HCl, SO2, CO, prach, organické látky, NOx, O2).
Aktivní uhlí používané v naší technologii se přepravuje ve velkokapacitních vacích (big-bags), které se připojují na hrdla zásobníků. Pomocí dávkovacího zařízení se aktivní uhlí dopravuje na sání dávkovacích transportních ventilátorů a odtud s nasávaným vzduchem do rozvaděčů umístěných v kouřovodech. Na prachových částicích aktivního uhlí se adsorbují těkavé organické látky a těžké kovy.
Parametry aktivního uhlí požadované dodavatelem technologie byly následující: specifický povrch 900-1300 m2/g, sypná hmotnost 0,4-0,6 t/m3, rozměr částic z 85 % menší než 44 mikrometrů.
Z výsledků měření autorizovaných měřících skupin po uvedení II. stupně čištění spalin do provozu vyplynulo, že byly dodrženy veškeré garantované hodnoty emisí mimo sumu dioxinů a furanů PCDD/F v přepočtu na toxický ekvivalent dle Eadona. Kontrakt garantoval dodržení 0,1 ng/m3 pro sumu PCDD/F v přepočtu na toxický ekvivalent. Zkoušky se opakovaly v listopadu 1994.
Při všech třech měřeních bylo použito aktivní uhlí firmy SILCARBON CW 20 ze SRN. V roce 1995 bylo použito aktivní uhlí FLUESORB C, které svými parametry odpovídalo podmínkám licenzora a v dubnu 1995 bylo s tímto uhlím provedeno další autorizované měření.
Z výsledků vyplynulo, že naměřené koncentrace za druhým stupněm čištění spalin pro sumu PCDD/F v přepočtu na toxický ekvivalent (TEQ) dosáhly dosud nejnižších naměřených hodnot, ale garantovaných hodnot dosaženo nebylo.
Nový typ uhlí
V průběhu roku 1995 se na nás obrátili pracovníci z Výzkumného a vývojového centra Chemopetrolu, a. s., Litvínov s nabídkou jejich nového typu aktivního uhlí CHEZACARB B, který vzniká při výrobě vodíku parciální oxidací ropných surovin. Toto aktivní uhlí vytváří granulát se širokým spektrem velikostí pórů od 1 do 104 nm při volném seskupení základních částic o velikosti 2-20 nm, který má prostorově orientovanou krystalickou mřížku a poloviční sypnou hmotnost než dosud námi používaná aktivní uhlí. Při doporučeném dávkování 4-7 kg/hod. se proto dávkuje objemově dvojnásobné množství. Teprve s tímto typem aktivního uhlí jsme dosáhli parametrů vyžadovaných v zemích EU.
Z několikaletých výsledků vyplynulo, že při spalování TKO vzniká přibližně dvojnásobné množství dibenzofuranů vůči dibenzodioxinům. Z dibenzodioxinů byly nalezeny nejvyšší koncentrace pro oktachlorované dibenzodioxiny - OCDD, kterým jsou přiznány nejnižší odhady zdravotního rizika pro člověka a mají tudíž i nejnižší hodnotu faktoru toxického ekvivalentu (0,001). U PCDF byly nalezeny nejvyšší koncentrace pro penta a hepta chlorované dibenzofurany. Tyto kongenery se podílí na celkovém toxickém ekvivalentu z 80-99 %.
V roce 2000 jsme vyzkoušeli jiný typ aktivního uhlí pod názvem CHEZACARB EKO, které má velice podobné vlastnosti i parametry jako CHEZACARB B, ale je navíc hydrofilní, tj. smáčitelné vodou. V naší technologii část suchých reakčních produktů zachycených na textilních filtrech se vrací zpět do procesu jako tzv. recirkulát a přidává se do nástřikové suspenze. Dříve používané aktivní uhlí se při míchání s vodou vydělovalo ve formě pěny na povrch. Tento negativní jev byl používáním nového typu aktivního uhlí potlačen.
Na základě dřívějších zkušeností jsme měli obavu, aby nedošlo k ovlivnění výstupních koncentrací PCDD/F. Rozhodli jsme se proto při uskutečnění druhého povinného jednorázového měření emisí provést i zkoušky účinnosti čištění při maximálním, nominálním i minimálním výkonu kotle. Z výsledků jednoznačně vyplynulo, že veškeré emisní limity byly dodrženy (a jeho cena je o 13 % nižší).
Mechanizmus vzniku dioxinů nebyl dosud spolehlivě vysvětlen a jejich vznik je ovlivněn celou řadou faktorů. Z našeho měření vyplynulo, že při maximálním výkonu kotle, kdy teploty ve spalovací komoře byly vysoko nad stanoveným požadavkem, tj. přes 900 řC, vznikalo 5 krát více dioxinů než při minimálním výkonu kotle, kdy teplota zdržení spalin po dobu 2 sekund nebyla vždy dodržena.
Na žádném tuzemském spalovenském zařízení nebyl dosud proveden tak široký soubor zkoušek, zejména pro velkou finanční náročnost, a proto nelze jednoznačně říci, zda se jedná o běžný, či náhodný jev. V případě, že by se tyto výsledky potvrdily i při měření, které se připravuje v Praze-Malešicích, znamenalo by to destrukci určitých představ o mechanismu jejich vzniku. Tlak na dodržování zdržení spalin na teplotě 850 řC po dobu dvou sekund ze strany naší legislativy i směrnic EU výrazně prodražuje provozní náklady zařízení, přičemž je-li technologie vybavena technicky dokonalým systémem, včetně dioxinového filtru, není důvod obávat se zvýšených emisí těchto látek do ovzduší, což potvrdily výsledky měření v našem zařízení (viz tab.).
Z výsledků měření dále vyplynulo, že při maximálním výkonu kotle, kdy produkce dioxinů byla nejvyšší, byla i účinnost čištění nejvyšší, tj. 99,7 % a při minimálním výkonu kotle byla produkce dioxinů i účinnost čištění nejnižší, tj. 97,3 %, přičemž dávkování aktivního uhlí je trvale nastaveno na určitou hodnotu a není ovlivněno množstvím spalin, ani jinými faktory. Vysvětlení pro tuto skutečnost zatím nemáme, lze se pouze domnívat, zda výsledky měření při tak nízkých koncentracích škodlivin nejsou zatíženy natolik velkou chybou, která v konečném důsledku zkreslí výstupy tak, že jdou proti současným vědeckým poznatkům.
Účinný způsob
Dlouholeté výsledky měření prokázaly, že tento způsob adsorpce dioxinů je velice účinný při relativně nízkých investičních i provozních nákladech, ale nelze tvrdit, že tento způsob lze aplikovat na všechna současná provozovaná zařízení. Podmínkou kladného výsledku je dosažení dokonalé homogenizace sorbentu v celém objemu spalin před vstupem na filtry, dosažení rovnoměrného ukládání aktivních složek na celé ploše filtru, schopnost vytvářet na filtrech filtrační vrstvu s nízkým hydraulickým odporem, s dostatečně silnou vrstvou se sorpčními schopnostmi, tzn. minimalizovat počet nutných oklepů filtru, i nízká abrazivnost sorbentu.
Z hlediska žádaných vlastností jsou vhodnější sorbenty s nižší sypnou hmotností, s rozvinutou porézní strukturou, s vysokým povrchem, s menší velikostí částic a s úzkým rozdílem v jejich velikosti, kde jsou přítomna stopová množství aktivních katalyzujících složek např. vanadu.
Karel Peroutka,
ředitel společnosti
Jana Suzová,
ekolog společnosti Sako, a. s.
Přehled stanovených koncentrací sumy PCDD/F ve spalinách v přepočtu na toxický ekvivalent dle NATO ve firmě SAKO Brno, a. s., při použití aktivního uhlí různé provenience
1994 1995 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2000
ng/Nm3 ng/Nm3 ng/Nm3 ng/Nm3 ng/Nm3 ng/Nm3 ng/Nm3 ng/Nm3 ng/Nm3
po čištění před čištěním po čištění po čištění po čištění po čištění po čištění před čištěním po čištění
0,438
Silcarbon 0,386
0,603
Fluesorb C 0,29
0,18
Chezacarb B 3,084 0,08 0,035 0,047 0,05 0,084 0,014
0,034 0,03 0,084 0,011
0,049 0,011
Chezacarb EKO *1,035 *0,028
**2,126 **0,053
***5,691 ***0,014
*minimální výkon kotle
**nominální výkon kotle
***maximální výkon kotle
