HULLADÉKOK ENERGETIKAI ÉS BIOLÓGIAI HASZNOSÍTÁSA
8.2
Hulladékból nyert fűtőanyag (RDF) alkalmazása Tárgyszavak: hulladékkezelés; hasznosítás; RDF; pirolízis; klórtartalom; RDF-C; oldhatóság; tömegcsökkentés; nagyüzemi technológia; vasgyártás.
A fejlett ipari országok gazdasága a tömegtermelésen, tömegfogyasztáson alapul, ami nagy mennyiségű hulladék képződésével jár. A hulladékkezelésnek szembe kell nézni ezzel a problémával, különös tekintettel a következő szempontokra: a) A lerakóhelyek fokozatosan megtelnek. A lerakó kapacitás Japánban egy 1996-os felmérés szerint települési szilárd hulladékra 8,8 év, ipari hulladékokra 3,1 év. b) A poliklórozott szénhidrogének (dioxinok) egészségügyi kockázata. A hulladékgazdálkodás újragondolása halaszthatatlanná vált, ami azt eredményezte, hogy a korábban szinte kizárólagos égetés mellett ismét előtérbe került a 3R (reduce, reuse, recycle = csökkentés, újrahasználat és újrahasznosítás) kérdése. A japán Szociális, Egészségügyi és Munkaügyi Minisztérium támogatja az integrált regionális hulladékkezelést, ezen belül pl. a hatékonyabb füstgáztisztítási eljárásokat, áramtermelést és a hamu ártalmatlanítását (pl. megömlesztését). Az energetikai hasznosítás mellett komolyan foglalkoznak az anyagi hasznosítás lehetőségeivel és egyéb kémiai eljárásokkal. Úgy tűnik, hogy fordulat állt be a közgondolkodásban is, egyre többen elfogadják az újrahasznosítást mint fenntartható hulladékkezelési megoldást. A hulladékkezelési eljárások kiválasztásánál elsődleges szempont a helyi adottságok mérlegelése. A már bevezetett és bevált megoldások mellett elengedhetetlen újabb és újabb lehetőségek keresése. Az energetikai hasznosítás vagy áramtermelés kisebb településeken nem oldható meg gazdaságosan, számukra a kis- és közepes üzemméret jelenthet kiutat. Ha a települési szilárd hulladékból a nem éghető frakciót (üveg, fém) kiválogatják, akkor ún. hulladékból nyert fűtőanyagot (refuse derived fuel = RDF) kapnak. Szakemberek véleménye szerint a főleg szerves hulladékból álló kevert hulladék jobban illeszkedik a kisebb települések hulladékgazdálkodásához.
Japánban több mint 10 éve folynak kísérletek az RDF hasznosításával. Állami támogatással először 1994-ben épült RFD hasznosító üzem, ezt több hasonló üzem létesítése követte. 1999 végén már 23 ilyen üzem működött országszerte. Az RDF-et elsősorban áramtermelésben hasznosítják, és az így előállított energiával működtetik a légkondicionálókat, központi melegvízelőállító rendszereket, hóolvasztást végeznek stb. A Kawasaki Steel cégnél évek óta folynak RDF hasznosításával kapcsolatos kísérletek. Az acélműben az energetikai hasznosítás mellett újrahasznosítással is próbálkoztak. Kezdetben az acélgyártásban szénhelyettesítéssel folytattak méréseket. Végső következtetésük az volt, hogy magas illóanyag- és klórtartalma miatt az RDF nem alkalmas szénhelyettesítésre. Másik lehetőségként a pirolízis kínálkozott. A pirolízis lényege, hogy oxigén kizárásával hevítik az RDF-et, ennek során az RDF elszenesedése mellett pirolízisgázok és kátrány keletkezik. Az elszenesedett RDF, amelyet RDF-Cvel jelöltek, kedvező fizikai és kémiai jellemzői alapján az acélgyártás mellett más területeken is alkalmazható. A következők az RDF pirolízisével végzett laboratóriumi és félüzemi kísérleteket ismertetik.
RDF elszenesítése laboratóriumi körülmények között A Kawasaki Steel cégnél az RDF alkalmazhatóságával kapcsolatos kísérletek 1995-ben kezdődtek. A technológia különböző fázisaiban, pl. redukálószerként, a szinterezésnél és a szénpor-injektálásos kazánban alkalmazták szén helyett az RDF-et. A kísérletsorozat eredményei az 1. táblázatban találhatók. Az RDF alkalmazásakor három probléma merült fel: – az RDF minősége (klórtartalom stb.); – magas illóanyag-tartalom; – végtermék minősége (szilárdság, portartalom). 1. táblázat Kísérleti tapasztalatok az acélgyártásban alkalmazott RDF-fel Termék neve
Koksztüzelésű kemence
Szinterező kemence
Gáz Kátrány
Légbefúvásos kemence
Javaslat
korrózió
HCl-képződés megelőzése
WEP* teljesítménycsökkenése
Por
környezeti probléma
Egyéb
a termék gyenge szilárdsága
kátrányeltávolítás poreltávolítás
minőségi probléma minőségi probléma
* WEP = wet electric precipitator – nedves elektromos porleválasztó
Na, K, Cl eltávolítása
relatív tömegváltozás, %(m/m)
Az RDF pirolízise laboratóriumi körülmények között 600–700 °C-on történt. A tömegváltozást, a pirolízistermékek mennyiségének alakulását a hőmérséklet függvényében az 1. és 2. ábra mutatja be. 120 100 80 60 40 20 0 200
400
600
hamu
800
1000
hőmérséklet, °C
7
100
6 80 5 60
4 3
40
hamu kötött szén illó anyagok klór mosás után klór
20
2 1
0
0 600
700
800
900
950
1000
1050
RDF
klór koncentráció (tömeg%/kg-hamu)
illó anyagok, kötött szén,hamu, %(m/m)
1. ábra Az RDF hőbontása
szén
2. ábra Az RDF hőbontása Az RDF illó komponenseinek mennyisége (pl. kátrány) már 600–700 °Con 10% alá csökkent, ugyanakkor a klórtartalom 900 °C-ig nem változott. A
klórtartalom 950 °C felett kezdett el csökkenni, de ezzel párhuzamosan a kötött széntartalom is csökkent. A bomlás során elengedhetetlen a klórtartalom alakulásának követése, de az RDF vizes mosásával is eredményesen csökkenthető a klórtartalom, akár a kiindulási érték egyharmadára-egynegyedére. A szabadban és prizmában tárolt RDF esetében azt tapasztalták, hogy levegőn elveszíti eredeti szemcsés szerkezetét, és fokozatosan elporlik. Az RDF-C tárolásánál nem tapasztaltak ilyen jellegű változást. A laboratóriumi körülmények között pirolizált RDF-C-vel sikerült valamennyi problémát kiküszöbölni. Ezek alapján úgy döntöttek, hogy üzemi próbát végeznek a vasgyártás meglevő berendezésein, elsőként a szinterező üzemben. A nedves elektromos porleválasztó (wet electric precipitator = WEP) áramerősség-változása jól mutatta a kétféle RDF közötti különbséget (3. ábra). A kezeletlen RDF esetében rögtön az indulás után leesett az áramerősség a termék kátránytartalma miatt, míg az RDF-C alkalmazásakor alig észleltek változást. Az áramerősség 6 órán át nem változott.
áramerősség (A)
idő (h) 500
betáplálás
WEP 1
WEP 2
0 6:00
10:00
14:00
18:00
idő (h) áramerősség (A)
(a) RDF esetén
500
22:00 WEP 1
betáplálás (b) RDF-C esetén
0
WEP 2
6:00
10:00
14:00
18:00
22:00
3. ábra A nedves elektromos porleválasztó (WEP) áramerősségének alakulása A sikeres laboratóriumi kísérletek és nagyüzemi próbagyártás tapasztalatai alapján a Mizushima műveknél egy 1,25 t/h kapacitású kísérleti üzemet építettek. Az üzem főbb paramétereit a 2. táblázat tartalmazza.
2. táblázat A kísérleti üzem műszaki leírása Üzemi kapacitás
RDF (alapanyag) RDF-C üzemidő
30 t/nap 7,5 t/nap 8 ~ 24 óra/nap
Tárolókapacitás
RDF RDF-C
30 t/nap 10 t/nap
Szállítás
RDF RDF-C
15 t 10 t vagy a kemence folyamatos etetése szállítószalagról
Működtetés
kiszolgáló személyzet feladata
egy fő az RDF betöltése
RDF-C előállítás és főbb jellemzői A 2. táblázatban feltüntetett műszaki paraméterekkel rendelkező üzem 2000 május közepén kezdte meg működését, és június végéig kb. 630 t RDF-et dolgozott fel. A folyamat alatt az RDF tömege kb. 75%-kal csökkent (4. ábra).
előállított termék (t)
150
100 50 0 május 15
május 30
június 14
június 29
időpont
4. ábra A kísérleti üzemben előállított RDF-C mennyisége A kétféle termék fűtőértéke a 3. táblázatban szerepel, amiből kiderül, hogy az RDF-C fűtőértéke kb. 10%-kal alacsonyabb az RDF értékénél. Egyes vélemények szerint, ha a műanyag palackok újrahasznosításával kapcsolatos jogi szabályozás elkészül, az RDF-ben a műanyagmennyiség csökkenésével lehet számolni. A szakemberek többsége a fűtőérték alakulása szempontjából nem tekinti ezt döntő szempontnak.
3. táblázat A fűtőértékek összehasonlítása tőérték kJ/kg (kcal/kg) 300 (4372) ~ 18 914 (4519) 370 (3911) ~ 17 810 (4255)
Az RDF-C-ben mért dioxinok mennyisége a 4. táblázatban szerepel. A maximális 0,22 pg-TEQ/g érték jóval alatta marad az 1999-ben Japánban a talajban mért átlagos 6,5 pg-TEQ/g értéknek. A törvényben a talajokra vonatkozó és igen érzékeny analitikai módszerrel meghatározott 1 E pg-TEQ/g értéknél pedig több nagyságrenddel kisebb. 4. táblázat
Dioxinok mennyisége Dioxinok Hőmérséklet
Összes PCB
Összesen
pg/g
pg-TEQ/g
pg/g
pg-TEQ/g
pg-TEQ/g
600 °C
27
0,0000
1 900
0,220
0,220
700 °C
27
0,0360
2900
0,029
0,065
800 °c
31
0,0012
8 700
0,100
0,100
TEQ – toxicitás-egyenérték PCB – poliklórozott bifenilek
5. táblázat Kioldódási vizsgálat pH = 4 Megnevezés
pH = 7
pH = 12
mg/l
Cd
nem mutatható ki
nem mutatható ki
nem mutatható ki
Pb
nem mutatható ki
nem mutatható ki
nem mutatható ki
nem mutatható ki
nem mutatható ki
nem mutatható ki
As
nem mutatható ki
nem mutatható ki
nem mutatható ki
T-Hg
nem mutatható ki
nem mutatható ki
nem mutatható ki
Se
nem mutatható ki
nem mutatható ki
nem mutatható ki
CN
nem mutatható ki
nem mutatható ki
nem mutatható ki
Szerves foszfor
nem mutatható ki
nem mutatható ki
nem mutatható ki
PCB
nem mutatható ki
nem mutatható ki
nem mutatható ki
Cr
VI
Az oldhatósági vizsgálatot a japán környezetvédelmi hatóság módszere szerint végezték el. Az oldószer mennyisége a minta tömegének 10%-át tette ki, a 700 °C-on előállított RDF-C-ből nehézfém-, szerves foszfor és PCBkioldódást vizsgáltak pH = 4–12 közötti tartományban. Az eredmények alapján
megállapították, hogy egyik érték sem haladta meg az előírt határértéket, így talajjavító adalékként alkalmazható. Az RDF-C előnyei: – A pirolíziskemence közvetlen kapcsolatban áll a szénpor-injektálásos kemencével (PCI = pulverized coal injection system). Jelenleg szén helyettesítésével kapcsolatos kísérletek folynak a légbefúvásos kemencében. Acélgyártásban szilárd tüzelőanyag (szén és koksz) helyett, valamint redukálószerként alkalmazzák, ami anyagában való hasznosításnak is tekinthető. – A települési szilárd hulladék tömege az éghetetlen frakciók kiválogatása után felére csökken, elszenesítéssel az RDF tömege újabb 50%-kal csökkenthető, azaz az RDF-C tömege a kiindulási hulladék tömegének mindössze 1/8-a. A tömegcsökkentéssel tetemes költségcsökkenés érhető el. – A települési szilárd hulladék szerves komponenseiben hosszabb tárolás során nedvesség hatására rothadás megy végbe, ami kellemetlen szaganyagok keletkezésével jár. Elszenesítéskor a szerves anyagok egyszerű vegyületekké alakulnak át, amelyek már nem bomlanak tovább, ezért az RDF-C zárt térben is tárolható.
A Kawasaki Steel cégnél kidolgozott technológia Az RDF-C nagyüzemi gyártástechnológiáját, amelyben a két folyamatot, az RDF és RDF-C előállítást összekapcsolták, a kísérleti üzemben végzett gyártási tapasztalatok alapján dolgozták ki. Az 5. ábrán az egyszerűsített folyamatábra látható. RDF előállítás. Az RDF-et az ún. RMJ módszerrel állítják elő. A beérkező hulladékot először aprítják, előválogatás után szárítják, utóválogatás után oltott mésszel keverik és tömörítik. A szárítást 600 °C-os forró levegővel végzik, ezáltal a kiindulási 50% nedvességtartalom 10% alá csökkenthető. A hulladékból aprítással és szárítással 10–15 mm részecskeméretű keveréket állítanak elő. RDF-C előállítás. Az elszenesítés az alábbi lépésekből áll: a Kawasaki Steel cégnél az RDF-et folyamatosan adagolják az elszenesítő forgókemencébe. A pirolízis végterméke az RDF-C, ezen kívül főleg éghető gázok keletkeznek. A pirolízisgázok a második égetőkemencében teljesen elégnek, az RDF-C-t lehűtés után szállítószalagon a tárolóba továbbítják. A második égetőkemencéből távozó füstgáz dioxinkoncentrációja 0,1 ng-TEQ/m3 érték alá csökken. A rendszer hőregenerálással működik, ami a következőkből áll: – A második égetőből távozó füstgáz hőmérséklete 1200 °C. Ezen a hőmérsékleten a szárítás során felszabaduló kellemetlen szagú vegyületek elbomlanak, vagyis megtörténik a szagtalanítás.
– Az aprított hulladékot 600 °C-os forró levegővel szárítják, a távozó levegőt hőcserélőben 150 °C-ra lehűtik. Az itt leadott hővel a levegőt ismét felmelegítik a szárítási hőmérsékletre. Induláskor a hiányzó hőmennyiséget olaj elégetésével pótolják, aminek a mennyiségét később a hőcserélőben leadott hőmennyiséggel fokozatosan csökkentik. – A második égetőből távozó füstgáz előzetes tisztítás után a szabadba távozik. szagtalanító kemence
füstgázelvezetés a hőcserélőhöz
RDF-elszenesítő kemence
hőcserélő
második égetőRDF-C vég- kemence termék
füstgáz kezelő
RDF-C előállítás
oltott mész
pelletizáló
forrólevegős kemence
utóválogató
RDF előállítás
szárító
előválogató
aprító
települési szilárd hulladék
5. ábra A Kawasaki Steel RDF–RDF-C-re kidolgozott gyártástechnológiája
A Kawasaki Steel cégnél kidolgozott gyártástechnológia főbb jellemzői A rendszer minimális fosszilis tüzelőanyagot használ. A második égető felfűtése olajjal történik, ezt követően a pirolízisgázok elégetésével biztosítják az üzemi hőmérsékletet.
Az elszenesítés alatt a kemence lassú körforgást végez, a végtermék nem csomósodik össze. A füstgázok agresszív komponensei 600 °C-nál magasabb hőmérsékleten elbomlanak, ez lehetővé teszi kerámia hőcserélő alkalmazását. A távozó füstgázok korom, Na-, K-, Cl- és dioxintartalma minimális. 1000 °C feletti hőmérsékleten a füstgáz dioxinkoncentrációja nem haladja meg a 0,002 ng-TEQ/m3 értéket. A pirolízisgáz főleg éghető gázokból – H2, metán, etán, etilén – áll. A rendszerben enyhe vákuum uralkodik, a szívóhatás következtében a gázok folyamatosan eltávoznak a pirolízistérből, amivel megakadályozható a gázok berobbanása a kemencetérben. A főleg szerves anyagokból álló hulladék elszenesítésénél bevált a faanyagok elszenesítésénél alkalmazott kemence. A magas hőmérséklet biztosítja a szerves anyagok elszenesítését, és az illó komponensek távozása után visszamaradó RDF-C széntartalma adja a termék fűtőértékét. A füstgázok hőtartalmát hőcserélőkkel hasznosítják a szárításnál, ezáltal a fosszilis energiahordozók kb. 70%-át lehet megtakarítani. A szárítás során az előválogatott települési szilárd hulladékból kellemetlen szagú gázok, pl. ammónia, kén-hidrogén, metil-merkaptán, acetaldehid stb. keletkeznek. A szagtalanítást korábban 650 °C-on végezték, ami nem adott kielégítő eredményt, és a kellemetlen szagú vegyületek egy része viszszamaradt. A 900–1200 ° C-os pirolízisgázokkal végzett szárítással sikerült maradéktalanul kiűzni valamennyi gázt.
Az RDF-C alkalmazási lehetőségei Amint az előzőekből is látható, az RDF-C-t először a vasgyártásban alkalmazták. A légbefúvásos kemencében koksz helyettesítésére használják (6. ábra), ami két módon lehetséges: A vastömbök előállításánál redukálószerként szénpor helyett RDF-C-t alkalmaznak. Korábban a gyengébb minőségű szénből szénport állítottak elő, és ezt használták fel a vasgyártásban illetve a szinterezésnél. A 0,7 mm-nél kisebb szemcseméretű szénport forró légbefúvással juttatják a tüzelőtérbe. A gyakorlatban ma már szinte csak ezt az eljárást alkalmazzák, és erre az RDFC kiválóan alkalmas. Szinterezés során vastömböket állítanak elő a különböző por alakú anyagok átkristályosításával ill. megömlesztésével. A szinterezést 1200–1300 °C-on végzik, a kiindulási anyaghoz rendszerint 2–3% kokszot adagolnak. A koksz a szintertömb tetején égni kezd, és a levegő az alsóbb rétegekbe is behatol. A felszínt beborító kokszsalak gyorsan elég, és végbemegy a szinterezés. A koksz helyett eredményesen alkalmazható az RDF-C (7. ábra).
vaskohó
füstgázkezelő
RDF-C
hevítés
szénpor-injektálásos kazán
RDF-C
fúvóka
RDF-C
szinterezés
légbefúvásos kemence szállító jármű
koksz
salakgranuláló nyersanyag betáplálás
6. ábra RDF-C alkalmazása vasgyártásban Az RDF-C igen jó adszorpciós tulajdonsággal rendelkezik. Ezt a tulajdonságát kívánják hasznosítani talajjavításban, folyóvizek tisztításában, hőszigetelőként alkalmazva és vízmegtartó képességén alapuló alkalmazásokban. Az említett területeken jelenleg főleg aktív szenet használnak, és a kísérletek szerint az RDF-alapú aktív szén igen jól megfelel pl. a füstgázokban előforduló és egészségügyi szempontból különösen veszélyes dioxinok megkötésére.
Összefoglalás A hulladékgazdálkodásban megnőtt az újrahasznosítás iránti érdeklődés. Mivel a szemléletváltás nemrég indult meg, az eddig elért eredmények bíztatóak, de meglehetősen szerények. A települési szilárd hulladék mennyisége a még ma is érezhető tömegfogyasztás következtében egyre nagyobb gondot jelent a helyi hatóságoknak. A hulladékkezelés egyik lehetséges útja az éghetetlen komponensek kiválogatása után visszamaradó ún. RDF frakció hasznosítása.
települési szilárd hulladék alkalmazási területek RDF előállítás vasgyártás RDF elektromos kemence elszenesítő kemence
hasznosítás (anyagában) RDF-C
talajjavítás
folyóvíztisztítás hőcserélő
gőz
aktív szén
hamukezelés elmarad égető (hőhasznosítás)
hamukezelés szükséges
7. ábra RDF-C előállítás és alkalmazása Japánban már több mint egy évtizede folynak olyan technológiai kísérletek, amelyek révén nemzetgazdaságilag fontos területeken lehetne hasznosítani az RDF frakciót. Kezdetben a vizsgálatok energetikai és termikus kezelésekre korlátozódtak. Újabban a termikus hasznosítás és az újrahasznosítás összekapcsolásának gondolata is felmerült, amire jó példa a vaskohászatban jó eredménnyel zárult próbagyártás. Időközben a pirolízissel olyan mértékű
minőségi javulást sikerült elérni, hogy az új termék, az RDF-C alkalmazási lehetőségei messze túlmutatnak a kohászati alkalmazásokon. (Haidekker Borbála) Shiotsu, K.; Yamada, S.; Yoshida, T.: Refuse derived fuel carbonization technology and application of carbonized refuse derived fuel. = Kawasaki Steel Technical Report, 46. sz. 2002. jún. p. 74–80. Darley, P.; Bowell, R.: CHP from municipal refuse: learning from operating experience. = Modern Power Systems, 21. k. 3. sz. 2001. p. 37–39.
