A Pirolízis Tudásközpont tapasztalatai a hőbontásos technológiák környezeti hatásaival kapcsolatban Dr. Futó Zoltán
A pirolízis vizsgálatok fő témakörei
Analitikai vizsgálatok
Gazdaságossági vizsgálatok
Mezőgazdasági hasznosíthatóság
Kísérleti üzemi vizsgálatok
Társadalmi hatásvizsgálatok
Kutatási projektünk keretében a Szent István Egyetem kísérleti pirolízis üzemében nyolc különböző hulladékfajta termikus bontása során került követtük nyomon a keletkező pirolízis végtermékek összetételét.
A gázemisszió mintavétel helye a SZIE kísérleti pirolízis üzemében
A mintavételt és a gázminták elemzését – biztosítandó a teljesen független adatokat – a Bálint Analitika Kft. (NAT akkreditáció NAT-1-1666-2011) szakemberei végezték
A vizsgált alapanyagok
A Szent István Egyetem kísérleti pirolízis üzemében a következő hulladékok termolitikus bontása történt meg 2014. júniusa és augusztusa között:
•
(autó)gumi
•
fanyesedék (biomassza)
•
PET palackok
•
gumi granulátum
•
ipari műanyag hulladékok
•
vegyes műanyagok
•
települési szilárd hulladék
•
szén
A pirolízisgázban mért értékek elemzése
Az összes szerves szén (total organic carbon; TOC) tartalom vizsgálata alapján elmondható, hogy a három féle műanyag hulladék meglehetősen vegyes képet mutatott:
míg a vegyes műanyag hulladék esetében volt tapasztalható a legmagasabb TOC érték, addig
a PET kifejezetten alacsony,
az ipari alapanyag műanyag hulladék pedig gyakorlatilag elhanyagolható összes szerves szén terhelést produkált.
A pirolízisgázban mért értékek elemzése
A két gumi hulladék viselkedése is eltért:
a granulált gumi kiugróan magas TOC értékkel bírt a gázban,
általános gumi hulladék átlagossal.
Említést érdemel még a biostabilizált települési szilárd hulladék kiugróan magas gáz-TOC értéke, ami rávilágít a szelektálatlan, vegyes hulladékok jelentette problémákra a hulladékkezelés során
Az elsődleges légszennyezők (szén-dioxid, nitrogén-oxidok, szén-monoxid) terén a kép kizárólag a kémiai, toxikológiai és környezeti sajátosságai miatt kiemelt figyelmet érdemlő, vegyipari továbbhasznosítás szempontjából is lényeges szénmonoxid esetében mutat változatosságot a bevitt alapanyagtól függően; a másik két légszennyező esetében a terhelés nagyjából homogén, és messze elmarad a szén-monoxid szintjétől
A pirolízisgáz továbbhasznosíthatóságában komoly környezet-egészségügyi vonzatokkal bír az átlag szilárd anyag (por) koncentrációja a gázban. Nem meglepő módon ezen a téren a szénpor mutatta a legmagasabb értéket, amit a fanyesedék követett.
A legkisebb szilárd anyag koncentrációt a PET műanyag hulladék pirolízise során lehetett tapasztalni; jószerivel ez az egyetlen paraméter, ami terén a PET pozitívabb értékeket mutat, mint a többi hulladék
A telített és telítetlen légnemű szénhidrogének (metán, etán, etén, propán, propén) a két gumi hulladék esetén mutatott magasabb arányokat, és meglehetősen hasonló értéket Úgy tűnik, hogy ezen vegyületek keletkezése nem függ össze szorosan a granuláltsági fokkal.
A biostabilizált települési szilárd hulladék szintén odafigyelésre érdemes mennyiséget produkált ezekből az anyagokból a pirolízis során, valamint figyelmet érdemel még a szénporból keletkezett kimutatható mennyiségű metán, ami jól jellemzi a pirolitikus térben uralkodó reduktív viszonyokat.
Ahogy azt számos más kutatás is igazolta már, a kéntartalom döntően befolyásolja bármely pirolízis termék további felhasználhatóságát, és így a teljes pirolízis folyamat technológiai és gazdaságossági fenntarthatóságát is. A pirolízisgázban a kén - a reduktív kémiai környezet miatt – elsősorban kénhidrogén formájában jelenhet meg.
A két gumi alapanyag meglehetősen magas kénhidrogén koncentrációkat eredményezett, ami – ismerve a ma használatos gumik általános összetételét – nem volt feltétlen meglepő.
Szintén a várakozásoknak megfelelő volt a szénpor pirolíziséből származó pirolízisgáz komolyabb kénhidrogén koncentrációja, hisz az ásványi szenek kéntartalma számos más vegyipari és energetikai folyamatban is megoldandó problémát jelent.
Az úgynevezett BTEX-vegyületek: benzol, toluol, etil-benzol és xilolok a továbbhasznosíthatóság szempontjából nem, a környezeti terhelés és a környezet-egészségügyi vonatkozások tekintetében viszont annál nagyobb jelentőséggel bírnak. Az általunk vizsgált nyolcféle hulladék pirolízise során ezen vegyületek terén is meglehetősen vegyes volt a kép.
A benzol jószerivel valamennyi hulladékfajtánál megjelent a pirolízisgázban, koncentrációja a PET esetén volt kiugró.
A toluol jóval kisebb mennyiségben volt jelen,
etil-benzol pedig jószerivel alig volt kimutatható.
A xilolok koncentrációja a legtöbb hulladék esetében a kimutatási határ alatt maradt, kivéve a PET és a fanyesedék hulladékokat. Ez utóbbi esetében a xilolok voltak a fő BTEX vegyületek a gázban, ami mindenféleképpen meglepő ténynek minősül.
Aldehidek
Az általunk vizsgált csoportból az acetaldehid dominált, ami a biostabilizált települési szilárd hulladék, a vegyes műanyag, a granulált gumi és a PET műanyag hulladékok esetén volt méréshatár felett kimutatható; a két utóbbi esetében az átlag feletti koncentrációkban.
A másik három aldehid mennyisége nem volt számottevő egyik hulladék-típus pirolízise során sem a pirolízisgázban, az esetek többségében kimutatási határ alatt is maradt.
A pirolízis olajban mért értékek elemzése
Fűtőérték
A pirolízis végtermékek felhasználásában döntő jelentőségű lehet a fűtőértékük ismerete. Kiemelten igaz ez a pirolízis olajokra, amelyek leggyakoribb és legígéretesebb felhasználási területe a másodlagos üzemanyag, illetve fűtőanyagként való hasznosítás.
A pirolízis olaj nitrogén tartalma a nem teljesen lebomlott, élő szerves anyag eredetű összetevőkre utal. Bármely célú felhasználás esetén célnak kellene lennie ezen érték minél alacsonyabban, lehetőleg nulla közelében tartása.
A biostabilizált vegyes települési szilárd hulladék magas nitrogén tartalma – a szelektivitás hiánya miatt – nem meglepő;
a szénporból, illetve a vegyes műanyag hulladékból keletkező pirolízis olaj esetében viszont további tisztázást kíván a mért nitrogén mennyiség értéke.
A másik négy alapanyagból keletkező pirolízis olaj nitrogén tartalma elenyésző volt.
A pirolízis olajok összes szerves szén (total organic carbon; TOC) tartalom vizsgálata alapján elmondható, hogy a kétféle műanyag hulladék meglehetősen eltérő képet mutatott:
a vegyes műanyag hulladék esetében volt tapasztalható a legmagasabb TOC érték, addig
az ipari alapanyag műanyag hulladék pedig nagyon alacsony összes szerves szén terhelést produkált.
A pirolízis olajak klór- és kén-tartalma szintén meghatározó jelentőségű lehet a további felhasználás tekintetében, mivel ezen anyagok jelenléte felgyorsíthatja a technológiai elemek korrodálódását, és így a berendezés elhasználódását, valamint kedvezőtlen irányba tolhatják a technológia emissziós értékeit.
Az úgynevezett BTEX-vegyületek: benzol, toluol, etil-benzol és xilolok a továbbhasznosíthatóság szempontjából nem, a környezeti terhelés és a környezetegészségügyi vonatkozások tekintetében viszont annál nagyobb jelentőséggel bírnak.
A szénporból, illetve a biostabilizált vegyes települési szilárd hulladékból keletkező pirolízis olajokban gyakorlatilag semmiféle BTEX vegyületet nem lehetett kimutatni,
az ipari alapanyag műanyagnál is csak elenyésző mennyiségű benzol volt az olajban, semmi más.
A fanyesedékből keletkezett olaj BTEX tartalma is nagyon alacsony volt, gyakorlatilag elhanyagolható a vegyes műanyaghoz, illetve a két gumi-alapanyaghoz képest.
Bár a granulált gumiból keletkező olaj etil-benzol tartalma magasabb volt az autógumi pirolíziséből keletkező olajokénál, a másik három BTEX vegyületből ez utóbbi tartalmazott jóval többet.
Az elsődleges légszennyezőként nyilvántartott poliaromás szénhidrogének (polyaromatic hydrocarbons = PAH) egyértelműen a nemkívánatos szennyezések közé tartoznak, jelenlétük az ipari szabványokban előírt koncentrációk fölött nehezítheti, vagy akár teljességgel meg is akadályozhatja a pirolízis olaj üzemanyagként, illetve tüzelőanyagként való hasznosítását.
A kísérleti pirolízis üzemünkben vizsgált alapanyagok közül a fanyesedék, az ipari alapanyag műanyag, illetve a biostabilizált települési vegyes szilárd hulladék esetében gyakorlatilag elhanyagolható volt a poliaromás szénhidrogének mennyisége a keletkező pirolízis olajban, és nagyon alacsony szinten maradt a szénpor esetében is.
A vegyes műanyag, és a két gumi alapanyag (autógumi, gumi granulátum) esetében viszont kiugróan magas értékek születtek, különösen az összes naftalin-típusú poliaromás szénhidrogének terén.
A pirolízis kokszban mért értékek elemzése
A pirolízis végtermékek felhasználásában döntő jelentőségű lehet a fűtőértékük ismerete. Nem mentesek ezen állítás igazsága alól a pirolízis kokszok sem, amelyek egyik fontos felhasználási területe éppen az erőművi égetés lehet. Fűtőérték szénpor
biostabil - TSZH
műanyag - vegyes
gumi - granulált
gumi - általános 0,0
5,0
10,0
15,0
MJ/kg
20,0
25,0
30,0
A pirolízis kokszok klór- és kén-tartalma szintén meghatározó jelentőségű lehet a további felhasználás tekintetében, mivel ezen anyagok jelenléte felgyorsíthatja a technológiai elemek korrodálódását, és így a berendezés elhasználódását, valamint kedvezőtlen irányba tolhatják a technológia emissziós értékeit.
A vizsgált hulladékok esetében a biostabilizált települési vegyes szilárd hulladékból, illetve a vegyes műanyag alapanyagból keletkezett pirolízis koksz mutatott viszonylag magasabb klór-tartalmat
A tapasztalt értékek ugyanakkor szintén rávilágítanak a szelektív hulladék-gyűjtés fontosságára: ezen, vegyes hulladékok esetében a keletkező végtermékek kémiai összetételének befolyásolására csak kevés eszköz van a szakemberek kezében.
A vártnak megfelelően magas volt a két gumi-alapanyagból keletkezett pirolízis olaj kén-tartalma, és a szénpor végterméké is, és nem volt elhanyagolható a fanyesedékből keletkezett koksz kén-tartalma sem.
Mezőgazdasági hasznosíthatóság Bioszén hatása a szudánifű magasságára 35 30 25 Kontroll
20 cm
1%-os bekeverés 15
5%-os bekeverés 10%-os bekeverés
10 5 0 14 nap
21 nap
28 nap
37 nap
43 nap
50 nap
64 nap
Következtetések
A szén-monoxid és a szén-dioxid szintje egyértelműen együtt mozog, bár a szén-dioxidból nyilvánvalóan kevesebb volt a reduktív kémiai környezet miatt az elegyben, mint a teljesen oxidált vegyületből. Hasonlóképpen együtt mozgott a kis szénatomszámú szénhidrogének (metán, etán, stb…) mennyisége is a pirolízisgázban.
Bizonyos szerves anyagok (pl. az öt szénatomszámú telített szénvegyületek) jó prekurzornak tűnnek a teljes szerves szén-mennyiség (TOC) becsléséhez.
A pirolízis olajok összetétel szintén komoly összefüggést mutatott a pirolizált hulladék összetételével, és így annak eredtével is. A szénporból, illetve a vegyes műanyag hulladékból keletkező pirolízis olaj esetében további tisztázást érdemelne a mért nitrogén mennyiség értéke.
A vizsgált hulladékok esetében a biostabilizált települési vegyes szilárd hulladékból, illetve a vegyes műanyag alapanyagból keletkezett pirolízis koksz mutatott viszonylag magasabb klór-tartalmat. A tapasztalt értékek ugyanakkor szintén rávilágítanak a szelektív hulladék-gyűjtés fontosságára.
A bioszén mezőgazdasági hasznosítása lehetséges, vannak a projekt eredményeként kedvező tapasztalatok, de az eredmények további pontosításához további kutatásokra van szükség.
