Katedra netkaných textilií, Fakulta textilní, Technická Univerzita v Liberci, Jakub Hrůza,
9. Spalování odpadů
Princip: Rozdrcený materiál je termicky rozložen zejména na vodu (forma páry) a CO2, Mezi další emise se řadí: - emise plynné: CO, NOX, SO2, plynných uhlovodíků… - emise pevné: saze, prachové částice, popel. Obvykle je rozklad prováděn nejprve pyroliticky, poté za přístupu kyslíku. Výstupem je energie ve formě tepla částečně využitelná pro výrobu energie elektrické.
Použití: V případě, kdy polymerní odpad nelze, nebo není vhodné zpracovat mechanickými technologiemi, drtit, regranulovat, ani depolymerovat. Vhodné zejména pro obtížně rozebratelné polymerní směsi. Obvykle používáno pro netříděnou část komunálního odpadu, nebo pro vybrané části odpadu průmyslového (například pneumatiky). [Otázka: uveďte příklad obtížně rozebratelné polymerní směsi]
Materiály: Veškeré termoplastické a termosetové materiály. Množství odvisí od množství produkovaných polymerů (viz. obr. 1). Často používanou surovinou je směs kaučuků ve formě pneumatik.
Zdroj: Plastics Europe Market Research Group (PEMRG) Publikovano: zaři 2009
[Otázka: pojmenujte jednotlivé polymery dle zkratek]
Příklady zdrojů spalovaných polymerů: •
Komunální odpad:
Zdroj: EKO-KOM, a.s., Strategie rozvoje nakládání s odpady v obcích a městech ČR, 2008
•
Procesní odpady, např. při výrobě kompozitů (ořezy, odseky, vlákna, pásky, vadné meziprodukty….)
•
Použité materiály, například pneumatiky, kompozity….
Výhody a nevýhody:
Výhody: -Odpad může mít různou velikost i složení (pneumatiky nutno drtit)
-Vysoké spalné teplo polymerních látek lze využít k výrobě elektřiny, pro průmyslové procesy i pro vytápění -Využití pevných zbytků v případě spalování pneumatik. Vzniká cca 5 – 7 % popela, který je zabudován do pevných roztoků slínkových minerálů.
Spalná tepla vybraných fosilních paliv a polymerů. Zdroj: HEATS OF COMBUSTION OF HIGH TEMPERATURE POLYMERS Richard N. Walters*, Stacey M. Hackett* and Richard E. Lyon
Vývoj cen energií do roku 2008. Zdroj: Zpráva „Pačesovy komise“. Zprávu vypracovala "Nezávislá odborná komise pro posouzení energetických potřeb České republiky v dlouhodobém časovém horizontu" (zkráceně "Nezávislá energetická komise", NEK), která byla zřízena na základě usnesení vlády č. 77 ze dne 24. ledna 2007.
Předpokládaná těžba hnědého uhlí včetně využití části zásob za územními ekologickými limity Zdroj: SEK - MPO, 2009
Nevýhody -Nutnost monitoringu a eliminace nebezpečných emisí -Záchyt plynných emisí a prachových částic -Skládkování pevného zbytku -Relativně drahý provoz z důvodu zajištění bezpečnosti -Nemožnost snížení produkce tepla, neboť proces spalování musí probíhat za přesně stanovených podmínek. Nesmí například dojít ke snížení teploty, neboť by došlo po překročení rosného bodu k tvorbě koncentrovaných kyselin (např. H2SO4) a následné destrukci spalinového systému. -Pouze část tepelné energie lze využít pro výrobu elektřiny.
Jaké látky nám nejvíce vadí? Prachové částice částice PM2.5 (<2.5 µm) na sebe váží nebezpečné a karcinogenní látky jako polyaromatické uhlovodíky (PAU), dioxiny… a s nimi pronikají hluboko do plic. • Oxidy dusíku (NOx) škodlivě působí na dýchací ústrojí. Koncentrace oxidu dusičitého se v mnoha evropských městech často blíží stanoveným limitům a občas je překračují • Organické látky (VOC) Vznikají nedokonalým spalováním paliv, nebo odpařováním. Vlastnosti jsou různé. Některé (benzen) jsou rakovinotvorné, některé jsou jedovaté a jiné zdraví neškodí. • Oxid uhelnatý (CO) působí toxicky, reakcí s hemoglobinem a následným snížením jeho množství využitelného k okysličování krve. • Oxid siřičitý (SO2) v ovzduší se mění na žíravou kyselinu sírovou (kyselé deště) •
Zdroje znečištění v ČR
Z grafu lze vyčíst významný pokles a stabilizaci emisí pevných látek spalovnami vlivem zavedení částicové filtrace.
Z grafu lze vyčíst stabilní hodnotu emisí velkých zdrojů srovnatelnou s vlivem dopravy. Oxidy dusíku vznikají při vyšších teplotách spalování.
Z grafu lze vyčíst mírný pokles hodnot danou zefektivněním spalovacích procesů a změnou skladby zdrojů znečištění (méně kotlů na tuhá paliva).
Malé opakování chemických procesů hoření ze střední školy: Uhlík C se může sloučit při dokonalém spalování na CO2 - oxid uhličitý: C + O2 → CO2 nebo při nedokonalém spalování na CO - oxid uhelnatý: 2C + O2 → 2CO Vodík H se slučuje s kyslíkem na vodní páru:2H2 + O2 → 2H2O Síra S se slučuje na SO2 - oxid siřičitý: S + O2 → SO2 Dusík N přechází do kouřových plynů nebo se při vysokých teplotách slučuje s kyslíkem na škodlivé oxidy, souhrnně nazývané NOx.
Princip spalování: 1) Spalování pneumatik v cementárnách České cementárny v současné době nahrazují cca 7 % spotřebovávaného tepla energií ze spalovaných pneumatik, což činí cca 70 kt ročně.
a)
Pneumatiky jsou nejprve předdrceny j(viz. přednáška 7),
b) Po vstupu do pece jsou granule ohřáty na teplotu 800 až 1100°C při omezeném přístupu kyslíku, kdy dochází k pyrolytickému rozkladu. Vzniká velký počet organických sloučenin v plynném stavu a oxid uhelnatý. Tím se vytvoří lokálně silně redukční prostředí, které redukuje oxidy dusíku a snižuje jejich koncentraci v kouřových plynech. c)
Organické sloučeniny a oxid uhelnatý v cyklónovém výměníku vyhoří při nižších teplotách nežna hlavním hořáku. Dodaný podíl energie na kalcinaci je zatížen výrazně menší emisí Nox (vznikají při vysokých teplotách), než kdyby byla tato energie dodávána hlavním hořákem. a také snížení celkového množství emisí.
Ukázka spalovací pece v cementárně Zdroj: Hyder Busheri and John Tiernan Suspension Burning for Tire Fuel Optimization in Precalciner Kilns. 2010 Global Fuels Conference on May 26th, 2010, and was published in the May, 2010 issue of Global Cement magazine
d) Železné dráty a ostatní anorganické složky reagují se surovinou a stávají se součástí slínkových minerálů a mezerní minerální hmoty. Pneumatiky, zejména radiální, obsahují 18 – 20 % ocelového kordu, tedy železa, které při výrobě cementářského slínku působí jako součást suroviny, a jako účinný mineralizátor, který snižuje hodnotu teploty vzniku první taveniny (energetická úspora při výrobě). e)
Obsah Cl je v pneumatikách pro osobní vozy odhadován v rozmezí 0,1 – 0,3 % (u nákladních méně).
f)
Obsah síry v pneumatikách nepřevyšuje 4 % a je dán stupněm vulkanizace kaučuku. Její přitomnost je žádoucí pro rozklad alkálií.
g) Filtrace spalin: Proces je charakterizovaný vysokou filtrační schopností částic, obsahujících kromě CaCO3 i volné CaO. Tyto částice jsou schopny zachytit ze spalin veškeré kysele reagující složky (SO2, Cl, F). Kromě toho hlavně slouží jako kondenzační jádra, na nichž se účinně zachycují i sloučeniny těkavých těžkých kovů (Hg, Tl). Teplota plamene společně s dobou zdržení paliva v plameni umožňuje také dokonalou destrukci a vyhoření všech organických látek včetně PCB a chlorovaných uhlovodíků.
2) Spalování komunálního odpadu Příkladem technologie je liberecká spalovna Termizo a.s.
Parametry: Množství přijímaného odpadu Přijatý odpad je zredukován Z přijatého odpadu vznikají
96 000 tun / rok váhově na 1/3, objemově na 1/10
cca 32 000 tun škváry, která splňuje vlastnosti výrobku použitelného pro stavební účely Zbytky po spalování cca 1800 tun železného šrotu, který se vytřídí ze škváry Zbytky po čištění spalin cca 1 200 tun filtračního koláče Tepelný výkon 28 MW Elektrický výkon dodávaný do sítě 1 – 2 MW
Základní schéma:
[zdroj: [4] Doucha J., Straka F., Lívanský K. Utilization of flue gas for cultivation of microalgae (Chlorela sp.) in an outdoor open thin-layer photobioreactor. J Appl Phycol 17: 403-412, 2005:
Postup: 1) Bunkr odpadu: Slouží k meziskladování odpadu jako technologické zásoby paliva před jeho energetickým využitím. Velkoobjemový odpad je v případě potřeby drcen hydraulickými nůžkami na drobnější strukturu. Odpad je jeřábem v bunkru neustále míchán a nakládán do násypky kotle.
2) Kotelna: Spalovací zařízení se skládá z roštu, hydraulické stanice a topeniště. V ohništi dosahuje teplota 950 – 1 100 °C, při níž nastane proces termickooxidačního rozkladu odpadu na jednotlivé složky. Kotel je plněn demineralizovanou vodou z čerpacích stanic. Vzniklé spaliny jsou při prostupu parním kotlem postupně ochlazovány až na cca 200 °C (výstupní teplota z kotle). Doba setrvání spalin při teplotě 850 °C je dvě sekundy, aby došlo k dokonalému rozložení organických látek.
3) Odstranění nespálených zbytků Škvára, která na konci roštu končí ve vodní lázni, je kontinuálně vyvážená do bunkru škváry. Tato škvára obsahuje max. 3 váhová % organického uhlíku a je součástí směsi popelovin, které se uplatňují ke stavebním účelům. Úletový popílek, který se ze spalin zachytí v kotli, je periodicky oklepáván za provozu kotle a je dále transportován do sila popílku, z něhož je pak odebírán k účinné fyzikálněchemické úpravě, při které se odstraní jeho nebezpečné vlastnosti. Ostatní úletový popílek je ze spalin odlučován v elektroodlučovači a je transportován do téhož sila popílku. Dále se provádí jeho účinné fyzikálně-chemické čistění. Odebírání popílku
Odebírání škváry
4) Využití tepla Energie uvolněná při spalování odpadu je ve formě tepla odebírána spalinám a předávána do vodní páry. Vyrobená přehřátá vodní pára (4,3 MPa, 400 °C) je přes protitlakou turbínu dodávána do teplárenské soustavy (1,0 MPa, 230 °C), čímž je umožněna současná výroba elektrické a tepelné energie. V letním období v případech, kdy není dostatečný odběr tepla se pára využije více pro výrobu elektřiny v parní kondenzační turbíně. Spaliny se po průchodu kotlem ochladí na cca 200 °C. V kotli může být vyrobeno 43 t přehřáté vodní páry za hodinu.
5) Čištění spalin Systém čištění spalin před jejich vypuštěním do komína je čtyřstupňový: a) Redukce oxidů dusíku pomocí SNCR injektáží hydroxidu amonného b) Redukce tuhých znečišťujících látek v elektrostatickém odlučovači c) Redukce organických látek (zejména perzistentní skupiny PCDD/F) prostřednictvím technologie katalytické filtrace REMEDIA D/F d) Redukce anorganických látek mokrým způsobem: • Absorpce plynných kyselých sloučenin prudkým ochlazením spalin. Spaliny jsou nasycovány vodou, která pohlcuje největší díl anorganických kyselin ( HCl, HF ) a těžkých kovů (Hg, Cd, Zn, Pb atd.) • Neutralizace oxidů síry hydroxidem sodným • Absorpce aerosolů: spaliny procházejí soustavou Venturiho trysek, kde zkrápěním tlakovou vodou probíhá proces odlučování aerosolů vznikajících při spalování a hlavně při redukčních procesech NOx.
