HULLADÉKOK ENERGETIKAI ÉS BIOLÓGIAI HASZNOSÍTÁSA
8.1
Különböző fajta hulladékok hasznosítása tüzelőanyagként egy osztrák faipari üzemben Tárgyszavak: égetés; faforgácslap; faipar; hulladékhasznosítás; ipari hulladék; termikus; tüzeléstechnika.
Bevezetés Ausztriában, ahol kicsi a települési szilárd hulladékokat égető üzemek kapacitása, és a kezeletlen szerves hulladék közvetlen lerakása már tilos, a tüzelőanyagok és hulladékok együttes égetése az országos hulladékkezelés fontos eszköze. Ez a hulladékártalmatlanítási módszer különösen fontos az ipari hulladékok, valamint a háztartási hulladék mechanikai–biológiai előkezelése során, a mechanikus szakaszban leválasztott nagy kalóriatartalmú frakciók számára. A 2004-ben képződött 3,9 millió tonna nagy kalóriatartalmú maradék anyag és hulladék több mint 50%-át energia visszanyerésére hasznosítják, alapvetően három iparágban, a cellulóz-, papír- és forgácslapiparban; a fa- és bútoriparban; valamint a cementiparban. Ezekben az ágazatokban különböző égetési technológiákat alkalmaznak. Európában sikeresen alkalmazzák a fluidágyas égetést (FÁÉ) energia visszanyerésére homogén gyártási maradékokból, valamint a háztartási hulladék mechanikai–biológiai (elő-)kezeléséből származó szitamaradékból. Ennek a technológiának jellemző vonása a nagy rugalmasság az üzemi feltételek (így pl. a fűtőanyag változó minősége (hőtartalom, víz- és hamutartalom) tekintetében), valamint a viszonylag alacsony égetési hőmérséklet (850 °C körül), a kis levegőfelesleg (λ = 1,1–1,3) és ennek következtében a kis füstgázmennyiség. Az alábbiakban a Gyártási maradékok hasznosítása fluidágyas égetőrendszerekben című országos K+F-projekt egyes eredményeinek is-
mertetése olvasható. A projekt célja az volt, hogy új tüzelőanyagokat találjanak egy forgácslapgyártó üzem erőműve számára, mivel a korábban használt fából a jövőben várhatóan nem áll elegendő mennyiség rendelkezésre, mert a csak ilyen tüzelőanyagot használó, biomassza-égető egységek száma gyorsan nő. A teljes szintű vizsgálathoz az erőmű 20 és 30 MW kapacitású fluidágyas kazánegységét egyaránt használták. A lehetőségek megítélésében nemcsak a termikusan hasznosított hulladékok szennyezőanyag-tartalma fontos, hanem az adott hulladékfajta termikus hasznosításának egyéb következményei is, a szükséges engedélyek, az eljárás vagy a termékminőség, illetve az emissziós határértékek betartása.
Az anyagok és a módszer A felhasznált tüzelőanyagok A vizsgálatok alatt fenn kellett tartani a forgácslapüzem rendes termelését. Az üzemi feltételeket ezért csak korlátozott mértékben lehetett változtatni, és csak akkor, ha azok nem zavarták a termelést. A vizsgálat során használt belépő anyagoknak is meg kellett felelniük bizonyos minőségi és mennyiségi követelményeknek. A következő fűtőanyagfajtákat használták: – Gyári maradékok. A forgácslapüzem rendes termelési folyamatából származó, a lakkozó részlegből távozó gázt, a csiszolási és polírozási port, a technológiai szennyvizet, koncentrátumokat és hulladékokat tartalmazó maradékok. – Alternatív, szabványos fűtőanyag. Ez fahulladékból, kéregből, forgácslapmaradékokból, csomagolási hulladékból, csatornaiszapból, szálakból és más üzemi maradékokból áll, mint azt az 1. táblázat mutatja. Évente átlagosan 80 000 t alternatív szabványos fűtőanyagot égetnek el a két fluidágyas egységben. Ennek a fele üzemi maradék, a másik fele pedig kívülről beszerzett (hulladék) fűtőanyagokból áll. – Nehéz fűtőolajból csak kis mennyiséget használnak, a kazánok indítási és leállási műveleteihez. – Hulladékból nyert tüzelőanyag: három újfajta hulladékból nyert tüzelőanyagot vizsgáltak az égetési próbák során. Ezek külső ipari hulladékfrakciók hozzáadásával készültek, (az összetételük az 1., a fizikai és vegyi jellemzőik a 2., illetve a 3. táblázatban láthatók): o A típus: „cellulóz és papír”, amely kb. 21% szilárd hulladékot tartalmaz a cellulóz- és papíriparból.
o B: „műanyag”, amely közel 34% csomagolási hulladékot tartalmaz (műanyagok, papír, karton, kompozitok). o C: „iszap”, amely közel 15% szárított, ipari csatornaiszapot tartalmaz. A nettó kalóriaértéknek a 10–12 MJ kg-1 tartományban tartásához ezeket a keverékeket együtt égették az üzemi maradékokkal. 1. táblázat Az égetési kísérletekben használt alternatív szabványos és hulladékból nyert tüzelőanyagok összetétele, % (m/m) Alternatív szabványos tüzelőanyag
A: cellulóz és papír*
Fahulladék
26,0
33,3
36,0
26,1
Fakéreg
15,7
15,3
0
17,8
Forgácslapmaradék
4,0
9,3
Iszap- és papírmaradék
0
Csomagolási hulladék Ipari csatornaiszap
Összetevő (hulladékfrakció)
Szálak, fűrészpor, koncentrátum és egyéb üzemi maradék
Hulladékkeverékek B: műanyag
C: iszap
8,1
9,3
20,8
0
0
9,0
1,7
33,8
14,2
3,4
3,1
3,6
14,8
41,9
16,4
18,5
17,8
* Három próba átlagos összetétele.
2. táblázat Az alternatív, szabványos fűtőanyag és a hulladékkeverékek fizikai jellemzői Paraméter
Alternatív, szabványos fűtőanyag
Víztartalom (%) Izzítási veszteség (%) Hamutartalom (%) Bruttó kalóriaérték** (MJ/kg) Nettó kalóriaérték (MJ/kg) Szemcseméret/alak
36,4 93,1 6,9 20,2 11,3 <10 cm, forgács és kéreg
Hulladékkeverékek B: műanyag C: iszap A: cellulóz és papír* 38,7 n. e. 36,8 89,0 96,5 89,3 11,0 3,5 10,7 18,4 20,2 20,2 9,6 11,8 11,3 <10 cm, for- <15 cm, mű- <5 mm, szemgács és szál anyag fólia csék
* Három próba átlaga; ** száraz tömegre számítva; n. e. – nem elemezték.
3. táblázat Az alternatív, szabványos fűtőanyag és a hulladékkeverékek kémiai jellemzői. Elemtartalom a nettó kalóriaértékre vetítve (mg/MJ) Paraméter (mg/MJ)
Alternatív szabványos fűtőanyag
Cl F S
68 9,2 60
Hulladékkeverékek A: cellulóz és papír* 164
B: műnyag 33,7
C: iszap 157
9,9
4,3
7,9
52,8
33,4
58,7
As
0,05
0,10
0,07
0,06
Cd
0,02
0,17
0,01
0,04
Co
0,02
0,16
0,25
0,08
Cr(összes)
0,73
2,1
2,2
1,2
Hg
0,02
0,03
0,06
0,06
Ni
0,70
0,99
0,71
0,89
Pb
1,6
3,5
2,3
4,0
Zn
8,7
14,5
7,7
14,9
* Három próba átlaga.
A vizsgált eljárás Két különböző égetőegységet használtak. Az egyik cirkulációs fluidágyas egység (CFE) volt elektrosztatikus leválasztó szűrővel; a másik stacioner fluidágyas egység (SFE), nagy szűrőzsákkamrával. A fent említett fűtőanyagokon kívül a következő adalékokat használták: – homok (SiO2, 2 mm < átmérő < 4 mm), az ágy anyaga, – dolomit: adszorbens a savas gázokhoz (SO2, HCl, HF), – szorbalit (Ca(OH)2/koksz): adszorbens a dioxinhoz (PCDD/F), – NH3/H2O oldat: reagens a szelektív, nem katalitikus redukciós füstgázkezelő eljáráshoz a nitrogénmentesítő (DENOX) egységben. A két fluidágyas égetőegység jellegzetes input-output tömegmérlegét (átlagos értékek) az 1. ábra mutatja. Mintavétel és elemzés A nem folyamatos és nagyon kis mennyiségű anyagáramokat, amilyen a homokpótlásé vagy a kazánok második szakaszából kivont ha-
mué, figyelmen kívül hagyták mind az anyagmérleg megállapításakor, mind a mintavétel és az elemzés során.
NH3–H2O -1 146 kg h
tüzelőayag -1 9 870 kg h
égetéslevegő 70 000 Nm3 h-1
füstgáz -1 117 234 kg h
ELSz
HE
szűrőzsák
CFE
NH3-H2O tüzelőanyag -1 4 276 kg h égetéslevegő 3 -1 40 000 Nm h
szorbalit -1 15 kg h
SFE hamu
753 kg h
-1
169 kg h
-1
hamu
fluidágy anyaga
fluidágy anyaga
szita
szita
<4 mm 1123 kg h-1
<4 mm durva frakció 25 kg h-1
durva frakció -1 59 kg h leágazás
12 kg h-1
20 kg h-1 homoktartály
8 kg h-1
leágazás
homoktartály
900 kg h-1
dolomit -1 593 kg h
homokpótlás (szakaszos)
hamutartály
797 kg h-1
homokpótlás (szakaszos)
4 kg h-1
dolomit -1 114 kg h
HE – hőcserélő LERAKÁS
1. ábra Fluidágyas égetők folyamatábrája, tömegmérleggel (a rendszer határait pontozott vonal jelzi; CFE = cirkulációs fluidágyas egység; ELSZ = elektrosztatikus szűrő; SFE = stacioner fluidágyas egység)
A fő figyelmet a fűtőanyagra mint a fő inputáramra, valamint az elektrosztatikus szűrőből és a szűrőzsákkamrából származó hamura és a füstgázra fordították. A további vizsgálatra alkalmas adatok szerzése érdekében minden vizsgált anyagáramból mintát vettek, a fontosságnak és a homogenitásnak megfelelően, így gyakrabban elemezték a kevésbé homogén és fontosabb áramokat.
Eredmények A fűtőanyagok és az égéstermékek A betáplált tüzelőanyag. Az alternatív szabványos fűtőanyaghoz képest a három hulladékban több a külső, ipari hulladék. A szennyezőanyag-tartalmat környezetvédelmi szempontból jobb a nettó kalóriaértékhez viszonyítani, mint a fűtőanyag tömegéhez, ezért használták a 3. táblázatban a mg/MJ mértékegységet. Az alternatív tüzelőanyagban a fosszilis fűtőanyagoknál nagyobb a klór-, a fluór- és a cinktartalom, de sokkal kevesebb a kén. A 2. és a 3. táblázat összehasonlította a fűtőanyagok jellemzőit. Felmerül a kérdés: milyen hatások várhatók nagyobb mennyiségű hulladékok égetésekor, és hogyan viselkednek a szennyezőanyagok? Füstgázemissziók. A 4. táblázatban a kétféle tüzelőanyag égetésekor képződő füstgátzemissziók láthatók. Az egyik követelmény az, hogy ezek mennyisége ne növekedjen jelentősen. A dioxintól (PCDD/F) eltekintve nem meglepő, hogy az alternatív tüzelőanyag égetéséhez képest valamelyest nagyobb HCl-, SO2- és ΣPb-, Zn-, Cr-emissziókat észleltek a hulladékok égetésekor. A B típusú hulladékkeverék égetésekor mért 81 mg/Nm3 por annak a következménye, hogy ez a tüzelőanyag sok laza műanyagfóliát tartalmazott. A fluidágyas égetéskor ez olyan részecskéket képezett, amelyeket nem tudtak hatékonyan összegyűjteni az elektrosztatikus szűrőben. Ezt a problémát időközben már megoldották. Váratlan volt a viszonylag nagy PCDD/F-koncentráció, amely jelentősen meghaladta az országos 0,1 ngTE Nm3 határértéket. A regressziós elemzés azt mutatta, hogy az elmenő gázban a PCDD/F koncentrációja és a belépő klórtartalom között nincs korreláció. Ezek a vegyületek feltehetően az égetés után képződnek, amit elősegít a nehézfémek, így a réz jelenléte. A problémát végül úgy oldották meg, hogy 15-20 kg/h szorbalitot (Ca(OH)2/koksz) adagoltak a füstgázba, a szűrőzsákok előtt. Ez a PCDD/F-emisszió 90-95%-os csökkenését eredményezte.
4. táblázat A különböző anyagok égetésekor keletkező füstgázemissziók összehasonlítása (szabványos körülmények: 273 K, 1013 hPa, száraz, 11% O2) Paraméter, mg/Nm3
Por (összes lebegő)
Alternatív tüzelőanyag
14
Hulladékkeverékek A: cellulóz és papír 7,7
B: műanyag 81
C: iszap 5,5
HCl
4,7
9,3
3,7
5,8
HF
<0,06
0,04
<0,08
0,03
SOx (SO2) CO NOx (NO2)
4
13
<6
<6
53
50
69
48
262
302
300
312
ΣPb, Zn, Cr
0,06
0,06
0,786
0,06
ΣAs, Co, Ni
0,0012
0,0011
0,006
0,0007
Cd
0,0003
0,0003
0,003
0,0001
Hg
0,008
0,004
0,007
0,006
5,2
2,5
0,380
0,294
Corg (TOC – összes szerves C) PCDD/F ngTE/Nm3
10 0,068
14,6 0,226
Nehézfémek és PCDD/F a szűrőhamukban. Mint az 5. táblázat mutatja, hulladékok égetésekor a szűrők hamujában jelentősen több nehézfém és különösen PCDD/F volt, mint az alternatív tüzelőanyag égetésekor. Ez a szorbalit adszorpciójával és az azt követő lerakódásával magyarázható. A maradékok minősége a hasznosítás vagy a lerakás szempontjából fontos kérdés. Ha a hamu veszélyes hulladéknak minősül, az egész rendszer működésképtelen, egyebek között gazdasági okok miatt. A szennyezettségtől függően, a szűrőhamu hasznosításának vagy lerakásának lehetségesnek kell lennie, előkezeléssel vagy anélkül.
Célszerű a szorbalitos módszert szelektív katalitikus redukáló füstgázkezelő egységgel helyettesíteni, amely egyidejűleg csökkenti a PCDD/F-et és az NO-t. 5. táblázat Az égetési maradékok vegyi jellemzői. A szűrőhamuk szennyezettsége Paraméter, mg/kg
Alternatív tüzelőanyag
Hulladékkeverékek A: cellulóz, papír
B: műanyagok
C: iszap
As
6,4
6,6
2,5
14,3
Cd
6,9
10,7
9,4
8
Co
1,8
7,1
83,7
Hg
<0,5
<0,5
<0,5
Ni
83
59
46
116
Pb
478
779
670
991
Zn
1646
2572
1362
2859
TOC
17 541
19 722
12 051
18 902
ΣHC
24
41
52
23,7
37,9
42,8
25,5
2,4
119
12,8
Cr (összes)
PCDD/F (ng/kg)
167
30
154 <0,5
* Három próba átlagos értékei.
A tömegmérleg és az anyagáramlás elemzése Az 1. ábrán látható folyamatábrában pontozott vonallal tüntették fel a rendszer határait a tömegmérleghez. Az input-output tömegáramok számai (kg/h) az egyes keveréktípusok égetésének az átlagos értékei, amelyek változhatnak a tüzelőanyag változásával. Minden égetési próba legalább 72 óráig tartott, amelynek során csak az adott fűtőanyagot égették. Az adatokat a harmadik napon mérték, amikor már kialakultak a viszonylag állandó viszonyok. A megbízható tömegmérleg a tömegáram-elemzés fontos része, amely tükrözi az elemek (szennyezők) viselkedését (eloszlását) az égetés folyamata alatt. Elemzési példa látható a 2. ábrán.
alternatív szabványos fűtőanyag füstgáz
30,49% hulladék
fluidágyas égetőberendezések (CFE + SFE)
1,11%
fluidágy anyaga 4,99%
41,66%
0,05% tüzelőolaj szűrőhamu adalékok 27,79% 119,96% (A): „cellulóz és papír” típusú hulladék égetése, cink tömegáramok, teljes input: 2,4 kg/h (=100%) alternatív szabványos fűtőanyag füstgáz 4,67% 29,24% fluidágyas égetőberendezések (CFE + SFE) fluidágy anyaga 3,86%
hulladék 35,12% szűrőhamu adalékok 99,71% (B): „műanyag” típusú hulladék égetése, ólom tömegárama, teljes input: 0,34 kg/h (=100%) alternatív szabványos fűtőanyag 35,64%
füstgáz
31,97% hulladék 66,55%
3,69%
fluidágyas égetőberendezések (CFE + SFE) fluidágy anyaga 0,16%
szűrőhamu 1,48%
adalékok (C): „iszap” típusú hulladék égetése, klór tömegárama, teljes input: 20,8 kg/h (=100%)
75,57%
2. ábra A Zn, Pb és Cl tömegáramát mutató (A, B, C) Sankey-diagramok a kétfajta tüzelőanyag együttes égetésére
erős és gyenge oldalak profilja értékelés
értékelési ismérvek
☺
☺ ☺
külső tényezők
lehetséges elérhető mennyiség kapubelépési költség szállíthatóság közelfogadottság tárolhatóság szag manipulációs nehézségek/foglalkozási egészségügy és biztonság méretcsökkenés durva inert alkotók a feldolgozás alatt a szabályozott betáplálás megvalósíthatósága
belső tényezők
alkalmasság a fluid ágyas kezelésre a hőértékhez viszonyított szennyezőtartalom a durva, inert anyag betáplálása a fluid ágyba összesülő alkáliák szennyezők (távozó gázban) szennyezők (szűrőhamuban) a távozó gáz kezelésével kapcsolatos elsődleges teendők a távozó gáz kezelésével kapcsolatos másodlagos teendők kihelyezési költségek a maradék tömeg minőségkezeléséhez fahulladék/fakéreg iszap és papír maradéka műanyagok (ipari) csatornaiszap
3. ábra Különböző hulladékkeverékek együttes égetésének erős és gyenge oldalai
A termikus hasznosításra vonatkozó döntés tényezői A termikus hasznosítás célszerűségét nem csak az adott hulladékfajta szennyezőanyag-tartalma befolyásolja. Más tényezők, így a piaci és költségviszonyok is fontosak és megfontolandók. Célszerű megkülönböztetni a külső és a belső tényezőket. A külső tényezők közé tartoznak az adott hulladékfajta elérhetősége és mennyisége, a hulladék kezelésének a költségei, a szállíthatóság és a közvélemény. Belső tényezők a műszaki (feldolgozás, az adagolás és az égetés), a logisztikai (tárolhatóság és kezelés), illetve gazdasági tényezők (a feldolgozáshoz, az elmenő gáz kezeléséhez és a maradékok elhelyezéséhez szükséges ráfordítások). A 3. ábra összehasonlítja a vizsgált keverékek és a biomaszsza/fakéreg égetésének erős és gyenge oldalait. Valószínű, hogy az elégethető hulladékkeverékeket könnyebb lesz beszerezni, mint az utóbbiakat, a hulladékok elhelyezésének ismert jogi nehézségei miatt. A hulladékok hőkezelésének a közvélemény általi elfogadottsága főként a minőség biztosításától függ, de sosem lesz olyan nagy, mint a tiszta biomasszáé és a fakéregé. A hulladékok feldolgozással és szabályozott betáplálással kapcsolatos problémái a jövőben nagyobbak lesznek, a durva, inert alkotók nagyobb aránya következtében. Az utóbbiak miatt a hulladékkeverékek kevésbé alkalmasak a fluidágyas kezelésre. A távozó gázok kezelése és a kezelési maradékok kihelyezése tekintetében hulladékkeverékek inhomogénebb összetétele több problémát és nagyobb költségeket eredményez. Összeállította: Dr. Szende György Ragoßnig, A. M.; Lorber, K. E.: Combined incineration of industrial wastes with inplant residues in fluidized-bed utility boilers – decision relevant factors. = Waste Management & Research, 23. k. 5. sz. 2005. okt. p. 448–456. Hassa, R.; Breuer, H.: Mitverbrennung aus Betreibersicht. = VGB PowerTech, 85. k. 4. sz. 2005. p. 52–58. Geysen, D.; Imbrechts, K.: Immobilization of lead and zinc in scrubber residues from MSW combustion using soluble phosphates. = Waste Management, 24. k. 5. sz. 2004. p. 471–481. Dongsu, K.; Sunghye, S.: Waste plastics as supplemental fuel in the blast furnace process: improving combustion efficiencies. = Journal of Hazardous Materials, 94. k. 3. sz. 2002. p. 213–222.
