HULLADÉKOK ENERGETIKAI ÉS BIOLÓGIAI HASZNOSÍTÁSA
8.2
Hulladékok termikus hasznosítása pirolízis és elgázosítás kombinációjával Tárgyszavak: pirolízis; elgázosítás; kemence; gázmotor-üzemanyag; helyi hulladékhasznosítás; üzemek; erőmű.
Az MFU GmbH Lepzig-Holzhausen által kidolgozott eljárást alkalmazó 50 E t/év kapacitású üzemet 2001 decemberében adták át a lausitzi Rothenburg bei Nieskyben. A 2sv nevű eljárás a biomassza és egyéb hulladékok termikus hasznosításával szemben olyan alternatívát nyújt, amelyben a hulladékból előállított olvadék elgázosítása oxigén jelenlétében történik, és ezt kombinálja a fémkohászatból ismert eljárással, amelynek lényege redukáló atmoszféra alkalmazása 2000 °C-on. A keletkező szintézisgáz áramtermelésre vagy tüzelőberendezésekben a primer energia helyettesítésére egyaránt felhasználható. A berendezés modulokból áll, így a kapacitás 10, 30 és 50 E t/év között változtatható.
Technológiai leírás A fémkohászatban alkalmazott oxigénatmoszférájú kúpos kemence elvét oly módon módosították, hogy a kemence terét két fúvókatérre osztották, és ezek között foglal helyet az elgázosító kamratér (1. ábra). A kamratérben a reakció során képződő gázok a betáplált anyaggal egyenáramban haladnak, ezzel a megoldással szándékosan nem használják ki az ellenáram anyag- és hőtranszportjából adódó előnyt abból a megfontolásból, hogy a betáplált anyag káros szervesanyag-tartalmát a magas hőmérsékletű redukáló atmoszférában eltávolítsák. A reakciógáz a reaktor tűzterének csupán egy viszonylag szűk tartományában halad ellenáramban, ill. keresztáramban a betáplált anyagárammal. A reaktort vízhűtéses kettős köpeny veszi körül, a reaktor tűztere az alsó fúvókatér magasságáig tűzálló anyagból készült. Az anyagbetáplálás adagolótölcséren és zsilipen keresztül történik az elgázosító kamratérbe, a felső fúvókatérben alakul ki a magas hőmérsékletű zóna. A szervesanyag-tartalom egy része az oxigénbefúvás következtében elég.
Az égetés mértéke a betáplált anyag fajtájától, előkészítettségétől, nedvességtartalmától, ill. az előszárítás mértékétől, a beadagolt oxigén mennyiségétől, és egyéb tényezőktől függően változhat, miközben a hőmérséklet eléri a 2000 °C hőmérsékletet. Az égetés során képződött forró gáz-halmazállapotú reakciótermékek a lefelé haladó anyagárammal együtt folyamatosan továbbhaladnak, eközben a betáplált anyag ásványi és fém komponensei megolvadnak, lefolynak vagy lecsepegnek, és a tűztér alján összegyűlnek. A 2. fúvókatérben az 1. fúvókatérben el nem égett vagy csak részben elégett szerves anyagok egy része elgázosodik, másik része pirolízissel bomlik le.
betáplálás
1. fúvókatér nyersgáz
pirolízis 2. fúvókatér
krakkolás, redukció
tűztér salak
vas
1. ábra A 2sv reaktor felépítése A pirolíziskor keletkező koksz az alsó fúvókatérben oxigén jelenlétében átalakul. A folyamat során keletkező hőmennyiség kompenzálja az 1. és 2.
fúvókatérben lejátszódó endoterm reakciók (elgázosítás, pirolízis, a szerves vegyületek krakkolása, illetve az égéstermékek redukciója) hőigényét. A pozitív hőmérleg következtében a salak és fém folyékony állapotban gyűlik össze a tűztérben, ahonnan lecsapolják vagy nagyobb teljesítmény esetén folyamatosan elvezetik. A két fúvókatér közötti kamratérben levő nyersgáz gyakorlatilag nem tartalmaz szerves anyagot, mivel sem maguk a kiindulási vegyületek, sem a pirolíziskor keletkező termékek redukáló közegben 1200 °C feletti hőmérsékleten nem stabilak. Ezt igazolja, hogy a keletkezett gáz CH4-tartalma 1% alatt van, illetve CO-tartalma igen magas. A nyersgáztisztítás az alábbi lépésekből áll: hűtés után porlasztásos abszorpciót végeznek, amit szűrés és gázmosás követ, utolsó lépés az aktív szenes szűrés. A tisztított gáz 40–50% CO-ból, 15–25% H2-ból áll, ami megegyezik a fűtő- és szintézisgáz összetételével. A 2. ábrán egy kevert hulladékból (szennyezett fa, lemezforgácsolási hulladék és papírgyári hulladék) nyert gáz összetétele látható.
2. ábra Szennyezett fa elégetésekor keletkező gáz összetétele
A 2sv eljárás előnyei Általánosságban az eljárás úgy jellemezhető, hogy csekély a beruházási és üzemeltetési költsége, az üzemeltetés messzemenően környezetkímélő. Technológiai szempontból a következő előnyei vannak:
– A feldolgozásra kerülő anyag minimális előkészítést igényel, elegendő a durva (kb. 300 mm méretű) aprítás, a < 10 mm alatti részek mennyisége 10% körüli értéken mozog. – Nem szükséges a hulladék fém és ásványi anyag eltávolítása (nincs sem kézi, sem mágneses válogatás). – A gáztisztításban a technika mindenkori állásának megfelelő eljárások alkalmazhatók. A szerves komponensek a technológia során lebomlanak. A reaktorból távozó nyersgázban nincsen nagymolekulájú szénhidrogén. A dioxin és furán de novo szintézise technológiailag kizárt. – A bekerülő szervetlen veszélyes anyagok nagy része is ártalmatlanítható. A fém-oxidok redukálódnak, a magas hőmérsékleten olvadó nehézfémek (pl. Cu, Cr, Ni) szinte teljes mértékben a vas ötvözőelemeiként bekerülnek a vasba, amely mintegy „nehézfémtemetőként” funkcionál. – A salakban visszamaradó oxidok az üvegszerűen megdermedt salakmátrixban ki nem oldódó formában kötődnek meg. – Az optimált eljárással és kihozatallal nyert előnyök a következők: – Gázmotorok üzemeltetésére, illetve földgáz energiahordozó helyettesítésére alkalmas fűtő- vagy szintézisgáz termelés. – Folyékony salak előállítás; darabos vagy granulált formában útépítésben alkalmazható, de tovább finomítható különböző eljárásokkal. – Folyékony vas termelés; hulladékként tovább feldolgozható. – A technológia során minimális hulladék képződik (általában max. 3 %(m/m)), amely por, iszap, ill. só formájában kezelhető. – A folyamat egylépcsős, nagyfokú automatizálhatóságának köszönhetően minimális kiszolgáló személyzettel üzemeltethető. – Nagy fajlagos teljesítmény: kb. 2,5 t/h tűztér m2-re vonatkoztatva, rendkívül magas energiahozam: 30–40 GJ/h tűztér m2-re vonatkoztatva. Ennek következtében igen helytakarékos konstrukció valósítható meg.
A 2sv kísérleti üzem A műszaki kipróbálásra és új hulladékokkal végzett kísérletekre az MFU Leipzig-Holzhausen-i kísérleti üzemében van lehetőség. Ezt a részleget 2000 novemberében adták át. A kísérleti berendezésben 3–3 fúvókát helyeztek el a két fúvókatérben. A tűztér mérete a következő: átmérő 0,8 m, aktív tűztér 0,5 m2 . A névleges kapacitás 10 E t/év esetében átlagosan 1,2 t/h. A kísérleti üzemben lefolytatott mérések a 2sv reaktor teljesítményével kapcsolatban fontos adatot szolgáltattak. Ennek alapján állapították meg a 2,5 t/h · m2 átlagos teljesítményt és a 40 GJ/h · m2 energiakihozatali értéket.
Különösen értékes volt az a megfigyelés, amelyből kiderült, hogy az előállított gáz metántartalma mindig 1% alatt maradt. Ehhez hasonlóan fontos az az eredmény, hogy a viszonylag állandó gázösszetétel következtében a gázmotorokkal történő áramtermelésben gázmotorok üzemanyagaként alkalmazható. A 2. ábra a szennyezett fa, a 3. ábra a vegyes hulladék kezelésekor keletkezett gáz összetételét mutatja be.
3. ábra Szennyezett fa és papírgyártási hulladék együttes elégetésekor keletkező gáz összetétele
A 2sv eljárás alkalmazási területei Az MFU GmbH Leipzig-Holzhausen cég kínálatában szereplő berendezések kapacitása a modulrendszernek köszönhetően 10, 30 és 50 E t/év között mozog. A cég elképzelése szerint ilyen kapacitásra a helységekben képződő helyi hulladékok kezelésére létesülő hulladékhasznosító üzemekben van szükség. Ezek előnyeiről meg lehet győzni a helyi lakosságot, rámutatva a le-
rakóhelyekkel kapcsolatos problémákra, egyébként az engedélyezési eljárás is ezeket a megoldásokat részesíti előnyben. A biológiai hulladékokra vonatkozó rendelet hatálya alá eső hulladékok (pl. különböző szennyezett fa hulladékok) különleges helyet foglalnak el a hulladékok között. Az EU irányelvet követve ez a megoldás gazdaságilag kedvezőbb lehetőséget nyújt a primer energiával előállított villamos áram kiváltására. Az eljárás előnye abban rejlik, hogy a 2sv-reaktorban előállított nyersgázt csak nagyjából szükséges megtisztítani, ezt a kazánban fűtőanyagként lehet hasznosítani, amivel primer energiahordozót takarítanak meg. A füstgáz végső tisztítása a kazánból távozó gázokra korlátozódik, így a hatályos jogszabályban előírt emissziós értékeket csak itt kell betartani. Az üzemtelepítés elsődleges feltétele a megfelelő infrastruktúra megléte. Az energiaellátást erőmű vagy hagyományos távfűtőmű szolgáltathatja. Kézenfekvő lehetőség a hulladékot termelő üzem területére történő telepítés, ahol a hulladék kezelése nehézkes, pl. papírgyárba. Komoly gondot okoz a válogatatlan dróttal kevert hulladék kezelése. A 2sv eljárással ez a hulladékfajta minden nehézség nélkül és gazdaságosan feldolgozható. További alkalmazási terület többek között pl. téglaégető, üvegolvasztó és sörgyár.
Biomasszával működő erőműtervezés Az Umweltkontor® Renewable Energy AG 2001 januárjában megbízta az MFU céget egy 50 E t/év kapacitású, biomasszával üzemelő 2sv berendezés megtervezésével. A tervek szerint a 2001 végén meginduló üzemben a szenynyezett fa termikus hasznosítását végzik, ami összhangban van a biomassza rendelettel. Az így előállított gázzal 7,5 MW villamos energiát lehet termelni, amellyel az EU Megújuló Energia Törvény értelmében hálózati áramot takarítanak meg. A gázmotorok üzemelésekor keletkező hőt átadják a rothenburgi távhőhálózatnak. Az üzemet 20 éves üzemidőre tervezik. Az MFU az egyetlen német cég, amely a 2sv eljárást biomassza termikus hasznosításában alkalmazza. (Haidekker Borbála) Nitsche, R. : Pyrolyse und Vergasung von Abfällen und Altholz. = VDI-Berichte, 2001. 1629. sz. p.17–22. Asadullah, M.; Ito, S.: Kunimori, K.: Biomass gasification to hydrogen and syngas at low temperature: Novel catalytic system using fluidized-bed reactor. = Journal of Catalysis, 208. k. 2. sz. 2002. jún. p. 255–259.
