MOŽNOSTI ENERGETICKÉHO VYUŽITÍ ODPADNÍ BIOMASY A PAPÍRU VÝVOJ PRODUKCE A SPOTŘEBY

Energie z biomasy III – seminář

Brno 2004

MOŽNOSTI ENERGETICKÉHO VYUŽITÍ ODPADNÍ BIOMASY A PAPÍRU VÝVOJ PRODUKCE A SPOTŘEBY Daniel Tenkrát, Ondřej Prokeš Příspěvek stručně charakterizuje vývoj spotřeby a míru recyklace papíru a lepenky v České republice a spotřebu této suroviny ve světě a v Evropě. Jsou zde u uvedeny základní “palivářské“ charakteristiky běžných druhů papíru a diskutovány dva způsoby výroby pevných paliv (vysokotlaká aglomerace pístovým lisem a nízkotlaká aglomerace pomocí rotačního peletizačního lisu) z odpadního papíru a dalších složek jako je hnědé uhlí a odpadní dřevné štěpky. Klíčová slova: odpadní papír, spalování ÚVOD Spotřeba papíru a lepenky je silně ovlivněna životním standardem a během dlouhých časových období je silná korelace mezi růstem spotřeby těchto produktů a růstem HDP. V roce 2002 se spotřeba papíru v České republice pohybovala na hranici 96 kg papíru na obyvatele a rok. Česká republika se řadí se svojí spotřebou na 19. místo v Evropě. Vývoj podílu sběrového papíru při výrobě a vývoj podílu sběru z celkové spotřeby za posledních několik let uvádí tabulka 1. Podle [1] je na prvním místě ve světových tabulkách je USA, kde činí průměrná spotřeba na obyvatele 336,5 kg a v evropském měřítku je na prvním místě Finsko s 320,5 kg papíru na obyvatele, těsně následované Belgií s 320,1 kg papíru. Slovenská republika, která v posledních letech zaznamenala pomalejší růst spotřeby, zaujímá v evropských tabulkách dvacátou první pozici se 74,9 kg papíru na obyvatele. Při současném trendu podporování sběru tříděného komunálního odpadu však vzniká problém. Zpracovatelé sběrového papíru jsou zahlceni touto druhotnou surovinou (a to nejen z tuzemských zdrojů), a tak končí značná část takto vytříděného papíru deponována na skládkách. Pomineme-li ekonomické důsledky (náklady na uložení), pak další problém představují emise skleníkových plynů produkované při anaerobním rozkladu papíru na skládkách jejichž hlavní složku představují methan a oxid uhličitý. Tab. 1 Vývoj sběru a využití sběrového papíru (SP) v ČR. 1996 1997 295 281 38,5 32,7 36 31,2

Sběr v ČR celkem (kT) Podíl sběru ze spotřeby v ČR (%) Podíl využití SP ve výrobě (%)

1998 1999 2000 335 339 394 38,3 39,4 42,8 40,7 42,1 45,5

Cílem projektu, který představuje tento příspěvek, je navrhnout vhodný technologický postup pro výrobu pevného paliva z odpadního papíru. Byly prověřovány varianty aglomerace samotného papíru a aglomerace papíru s přídavkem dalších složek, které by případně mohly pozitivně ovlivňovat jak aglomerovatelnost, tak spalovací vlastnosti a tvorbu emisí. Použity byly jednak dřevné štěpky, ale např. také hnědouhelný multiprach (odpad z elektrostatických odlučovačů). Výstup celého projektu představuje několik typů pevného paliva na bázi papíru, které by mohlo být využito ke krytí energetických nároků spalováním v malých a středních zdrojích, například v komunální sféře.

Ing. Daniel Tenkrát, Ing. Ondřej Prokeš, Ph.D., Vysoká škola chemicko-technologická v Praze, Technická 5, 166 28 Praha 6, [email protected]

-7-

Energie z biomasy III – seminář

Brno 2004

SPALOVÁNÍ PAPÍRU VS. SKLÁDKOVÁNÍ Problematikou emisí skleníkových plynů (převážně CH4 a CO2) z papíru během jeho životního cyklu se zabýval např. Pickin [2]. V práci je vyhodnoceno množství uvolněných skleníkových plynů pro různé způsoby zpracování odpadního papíru na základě techniky LCA (Lifecycle assesment). LCA je technika pro vyhodnocování potenciálních dopadů na životní prostředí z hlediska životního cyklu produktu či systému, zahrnující všechny důležité vstupy a výstupy systému, včetně vyhodnocování dopadů spojených s těmito vstupy a výstupy. Emise skleníkových plynů při výrobě a spotřebě papíru pocházejí ze dvou odlišných zdrojů. Prvým zdrojem jsou fosilní paliva použitá při těžbě dřeva, výrobě a transportu papíru, druhým zdrojem je růst (spotřeba CO2) a rozklad (vznik CH4, CO2) organické hmoty používané při výrobě papíru. Jako základní jednotka pro porovnání účinků na globálním oteplování je zde použit GWP „Global Warming Potential“, který je definován jako stupeň skleníkového oteplení způsobený jednotkovým množstvím plynu vyjádřeného jako množství CO2, které způsobí stejné oteplení. Vzhledem k různé době životnosti plynů v atmosféře je ve studii použit časový horizont 100 let. Výsledky jsou shrnuty na obrázku 1, kde jsou porovnávány emise skleníkových plynů (vyjádřené v kg ekvivalentu CO2) uvolněných během životního cyklu 1 t papíru, při různém způsobu likvidace papíru. Ve všech případech je vždy 50 % papíru deponováno.

Emise skleníkových plynů na 1 t papíru [kg CO2 ekv.]

10000 9000 8000 7000

bez recyklace 50 % recyklace 50 % recykl. + 30 % využití skládkového plynu 50 % recykl. + 25 % kompostování

6000

50 % recykl. + 25 % spalování 5000 4000 3000 2000 1000 0

Obr. 1 Emise skleníkových plynů při různém způsobu využití nerecyklovaného papíru. Největší procento produkce skleníkových plynů představuje anaerobní rozklad papíru na skládkách, jehož hlavním produktem je právě methan. Odplyňování skládek, jímání skládkového plynu a jeho využití je spíše druhotným opatřením snižujícím emise skleníkových plynů do ovzduší s jejich následným energetickým využitím. Primárně by však mělo být snižováno množství deponovaného biodegradabilního odpadu. Další studie termického využití a recyklace papíru [3] založená na využití plochy země uvádí, že je výhodnější většinu papíru recyklovat a použít jako vstupní surovinu při výrobě papíru a „ušetřenou“ plochu využít pro pěstování rychle rostoucí biomasy pro krytí energetických nároků. Tento scénář ale naráží na fakt, že papírové vlákno má omezenou životnost, při výrobě je nutno dodávat vždy určité množství nové suroviny a pro některé typy papíru nelze recyklovaná vlákna použít vůbec.

-8-

Energie z biomasy III – seminář

Brno 2004

PŘÍPRAVA PEVNÝCH PALIV Při výrobě pevného paliva byly testovány varianty aglomerace 100 % papíru a varianty s přídavky dalších složek k papírové hmotě. Zvoleny byly přídavky hnědého uhlí a dřevných štěpků. V této části projektu byl testován především vliv přídavku těchto složek na aglomerovatelnost papíru. Hnědé uhlí bylo zvoleno vzhledem k jeho dobré aglomerovatelnosti, blízké hodnotě spalného tepla a díky obsahu síry. Podle některých zdrojů ([4] a [5]) může SO2 vznikající při spalování inhibovat případnou katalytickou tvorbu dioxinů. Na druhé straně uhličitan vápenatý, používaný jako plnivo do papíru, může účinně adsorbovat vznikající SO2 a případně i další nežádoucí složky. Od přídavku uhlí se také očekává zlepšení spalovacích vlastností vůči samotnému papíru. Druhou zvolenou složku představuje dřevo (odpadní dřevné štěpky), které by mohlo potencionálně zlepšit vlastnosti vyráběných výlisků a v neposlední řadě svým nízkým obsahem popela a vysokým obsahem prchavé hořlaviny zlepšit především spalovací vlastnosti nového paliva. Jako vstupní surovina byl použit směsný papír z tříděného domovního odpadu. Při výrobě paliv byl dodržován poměr jednotlivých složek směsi tak, jak je uvedeno v tabulce 2. Tab. 2 Složení směsného papíru pro aglomeraci zastoupení Druh papíru [hm. %] 25 25 25 25

novinový papír karton kancelářský papír komerční tiskoviny

Základní parametry použitých druhů papíru jsou uvedeny v tabulce 3 (pozn.: jedná se o průměrné hodnoty). Tab. 3 Základní charakteristika papíru podle typu Qs

Vdaf

Ad

(MJ/Kg) 14,4 17,6 11,9 16,9

(hm. %) 79,9 80,4 70,2 79,0

(hm. %) 8,8 5,4 22,8 6,3

Druh papíru kancelářský papír novinový papír křídový papír karton

kde Qs-spalné teplo; Vdaf- prchavá hořlavina; Ad- Popel; zdroj: [3], [4], vlastní měření

Vysokotlaká aglomerace První testovanou variantou byla vysokotlaká aglomerace pomocí hydraulického pístového lisu. Schéma postupu výroby pevných paliv z papíru je uvedeno na obrázku 2. Papír z tříděného sběru odpadu byl před použitím zbaven nehořlavých příměsí (sklo, kovy) a plastů. Ke skartaci papíru byl použit velkoobjemový průmyslový skartovací stroj. Výstupem byly papírové proužky o různé délce a šířce cca 30 mm. Takto připravený papír byl dále upravován v desintegrátoru s vyměnitelným sítem CONIDUR 4 mm (má funkci „struhadla“). Výstupem byl papír v podobě „vaty“. Pro výrobu výlisků byl použit hydraulický pístový 250 t lis s uzavřenou formou s průměrem pístu 50 mm. Pro aglomeraci byly použity tlaky 35, 70, 100 a 130 MPa. Pro porovnání vlivu teploty na kvalitu výlisků byly aglomerace prováděny jak při 20 °C, tak i při předehřevu formy a pístu na 80 °C. Rychlost posuvu pístu byla 2 cm/s, doba působení tlaku 3s. -9-

Energie z biomasy III – seminář

Brno 2004

plasty kovy atd.

separace

odpadní papír

skartace

mletí (desintegrator)

hnědé uhlí / dřevo

4 mm síto - papír dřevo 0.5 mm síto - uhlí

voda

text

pelety

hydraulický lis

text

rotační vytlačovací lis

mísení

brikety

text

text

Obr. 2 Schéma přípravy paliv Pro stanovení optimální vlhkosti aglomerovaného papíru se vycházelo z pevnostních zkoušek a hustoty vyrobených výlisků ze třech zdrojů papíru o různé vlhkosti. První vzorek neobsahoval žádnou dodatečnou vodu (obsah rovnovážné vlhkosti ve vzorku papíru skladovaného v místnosti s průměrnou teplotou 15 °C byl stanoven na cca 5,6 % hm.), další dva vzorky byly vlhčeny, a to na 14 % a 21 % hm. obsahu vody. Navlhčení bylo provedeno přídavkem vypočteného množství vody do igelitového pytle s papírem. Za občasného promíchávání se nechaly vzorky stát po dobu 5 dní. Vysokotlakou aglomerací byl připravovány výlisky jak ze 100 % papíru, tak ze směsí papíru s hnědým uhlím (v poměrech 9:1 až 7:3) a papíru s dřevnými štěpky (9:1 až 7:3). U vyrobených výlisků bylo sledováno jejich expanzní chování v čase, byly stanoveny pevnosti v tlaku a otěru a jejich hustoty.

- 10 -

Energie z biomasy III – seminář

Brno 2004

Peletizace Postup výroby pelet z odpadního papíru je v zásadě shodný s postupem při produkci briket s tím rozdílem, že pro výrobu pelet byl použit rotační vytlačovací lis s matricí s otvory o průměru 8 mm. Aglomerace byla prováděna pouze bez předehřevu (při teplotě 20 °C). Vzhledem k tomu, že při tomto způsobu aglomerace je dosahováno nižších tlaků (do cca 5 MPa), je nutné požití směsi pro aglomeraci s daleko vyšší vlhkostí nežli u vysokotlaké aglomerace (cca. 30-45 hm. %). Vyráběny byly pelety ze směsného odpadního papíru a papíru s přídavkem hnědouhelného prachu. VÝSLEDKY Brikety Výsledným produktem vysokotlaké aglomerace byly brikety o průměru 50 mm, výšce cca 20 mm a s hmotností přibližně 40g (pozn. výška a hmotnost briket byla závislá na obsahu vlhkosti vstupního materiálu). U vyrobených výlisků bylo sledováno jejich expanzně-kompresní chování v čase a byly stanoveny jejich hustoty. Výlisky byly dále podrobeny testování na pevnost v otěru (abrazi) a tlakovou pevnost. Pevnost v otěru byla testována v ocelovém bubnu (průměr 60 cm s vestavbou, 1 otáčka = 4 pády), po 100 a 300 otáčkách. Pevnost v tlaku byla testována na počítačem ovládaném zařízení SHIMADZU typu UH-A. Protože není v možnostech tohoto příspěvku prezentovat všechny důležité výsledky, jsou zde uvedeny pouze vybrané výstupy u několika typů výlisků, které byly vyrobeny ve větších množstvích pro stanovování emisních charakteristik. Přehled některých vyrobených výlisků určených pro spalovací zkoušky je uveden na obrázku 3 .

Obr. 3 Brikety a) papír:hnědé uhlí (80:20), b) papír:dřevo (80:20), c) papír (100 %); Pelety a) papír:hnědé uhlí (80:20), b) papír (100 %) Hustota výlisků vyráběných bez předehřevu se pohybovala v rozmezí 0,78 až 1,21 g/cm3. Při nižších tlacích (35 MPa) bylo nejlepších výsledků dosaženo s papírem o obsahu vlhkosti 14 %. Se stoupajícím tlakem vliv obsahu vlhkosti klesal a při tlaku 130 MPa bylo nejvyšší hustoty dosaženo u nevlhčeného papíru. U vzorků s obsahem vlhkosti nad 20 % docházelo při tlacích nad 100 MPa k částečnému vylučování vlhkosti na povrch a tím k zalepování lisu a deformaci výlisků. Výrazný vliv předehřevu při aglomeraci na hustotu výlisků byl pozorován hlavně u papíru bez přídavné vlhkosti. U papíru vlhčeného byl vliv teploty malý, nebo téměř zanedbatelný. Hustoty výlisků vyrobených s předehřevem se pohybovaly od 0,95 až do 1,3 g/cm3. Při použití předehřevu bylo nejlepších výsledků dosahováno u výlisků s minimálním obsahem vlhkosti. Tlakové pevnosti vyrobených výlisků se pohybovaly v rozmezí 105 až 180 MPa (u výlisků vyrobených při 80 °C i přes 200 MPa), což jsou hodnoty velmi dobré, neboť například tlaková pevnost klasických hnědouhelných briket se pohybuje kolem 120 MPa [5]. Výlisky vyrobené z papíru se však při tomto testu chovají odlišně než uhelné brikety, protože dochází k jejich dodatečné komprimaci ve zkušebních čelistech. Díky této jejich houževnatosti jsou tyto výlisky tlakově odolnější než obdobné produkty z uhlí. - 11 -

Energie z biomasy III – seminář

Brno 2004

Pelety Pro potřeby spalovacích zkoušek byly vyrobeny dva typy pelet (Obr. 3), ze 100 % papíru (označení „PP“) a ze směsi papíru s hnědouhelným prachem (označení „PC“). Pro produkci pelet na daném zařízení byla stanovena optimální vlhkost aglomerovaného papíru na cca. 40 % hm. Stanovení pádové pevnosti pelet bylo prováděno v rotujícím válci o délce 700 mm a průměru 130 mm. K testu bylo použito vždy 100 g vzorku (pelet) vysušených na 10 % obsah vlhkosti. Výsledky jsou prezentovány jako hmotnostní procenta nadsítného vzorku po 100 a 300 cyklech (1 cyklus = 2 pády). Výsledky jsou uvedeny v tabulce 4. (Pozn.: Test R5/100 představuje hm. % nadsítného při použití 5 mm síta u vzorku po 100 cyklech). Po vysušení na 10 % obsah vlhkosti byla rovněž stanovována sypná hmotnost pelet. Pro přehlednost jsou v tabulce 5 shrnuty nejdůležitější vlastnosti připravených paliv. Tab. 4 Pádová pevnost pelet PP 99,8 99,9 99,3 99,6

R5/100 R1/100 R5/300 R1/300

PC 99,4 99,7 98,2 98,8

Tab. 5 Přehled základních vlastností připravených paliv

brikety pelety

Qs (MJ/Kg)

Vdaf (hm. %)

Ad (hm.%)

hustota (g/cm3)

sypná hmotnost (g/cm3)

wa (hm. %)

15

77,5

9 - 14

0,9 - 1,1 0,8 *

0,4 - 0,5

5 - 12 8 **

* určeno výpočtem z rozměrů a hmotností, ** vlhkost po vysušení, u vyrobených briket w > 30 %

RTG analýza popela V tabulce 6 jsou porovnány složky popela pro 3 odlišné druhy papíru se složením popela hnědého uhlí (SU a.s.) a složením popela u dřevných pelet působících při spalování problémy vytvářením sklovitých nánosů ve spalovacím prostoru (analýza převzata z [10]). Tyto jsou způsobeny především vysokým obsahem Si a K. Vzhledem ke skutečnosti, že jako plnivo do papíru je používán jemně mletý vápenec a kaolín, je jedním z dalších cílů posouzení možnosti zvýšení bodu tání popela u problematických skupin biomasy použitím kombinovaných paliv papír/biomasa. Tab. 6 Hlavní složky popela (vyjádřené jako oxidy) Majoritní složky popela

obsah popela (%)

CaO

SiO2

Al2O3

MgO

Fe2O3

P 2O5

SO3

K 2O

TiO2

Na2O

Karton

9

45,0

26,0

23,0

2,0

0,6

0,1

0,6

0,6

0,2

0,6

Křídový

25

66,0

14,0

14,0

2,0

0,4

0,1

0,4

0,1

0,3

0,7

Komerční tisk

18

45,0

25,0

23,0

2,0

0,6

0,1

0,6

0,6

0,2

0,6

15 - 45

6,7

44,0

31,0

1,0

6,0

0,4

1,8

0,4

7,0

1,5

0,8

21,5

46,7

1,2

5,3

1,1

5,2

-

14,6

-

0,7

Uhlí hnědé Biomasa - škvárující

- 12 -

Energie z biomasy III – seminář

Brno 2004

ZÁVĚR Během tohoto projektu bylo připraveno několik druhů pevných paliv z odpadního papíru separovaného z tříděného sběru odpadů v obcích, které by díky svým mechanickým a chemickým vlastnostem a hodnotě výhřevnosti mohli být využívány pro krytí energetických nároků spalováním v malých a středních zdrojích. V další části projektu se autoři zaměří na stanovení emisních charakteristik těchto paliv a jejich porovnání s emisními charakteristikami běžně používanými pevnými palivy (černé a hnědé uhlí, dřevo atd.). Rovněž se zaměří na studium možnosti využití odpadního papíru pro zvýšení b.t. popela problematických skupin biomasy výrobou kombinovaných paliv papír/biomasa.

POUŽITÁ LITERATURA [1] Thoma P.; Papír-výroba a spotřeba, Svět tisku, 1, 2000 [2] Pickin J. G., Yuen S. T. S., Hennings H.; Waste management options to reduce greenhouse gas emissions from paper in Australia, Atmospheric Environment, 36 (2002), 741-752. [3] Hekkert M., Broek R., Faaij A.; Energy Crops versus Waste paper:A Systém Comparison of Paper Recycling and Paper Incineration on the basis of Equal Land-Use, presentováno na: 4th Biomass Conference of the America`s, 29.8 – 2.9, 1999, Oakland, CA, USA. [4] Tsai M.-Y, Wu K.-T., Huang C.-C., Lee H.-T.: Co-firing of paper mill sludge and coal in an industrial circulating fluidized bed boiler, Waste Management, 22 (2002), 439-442. [5] Chun W. L., Kilgroe J. D., Raghunathan K.: Effect of soot and copper combustor deposits on dioxin emissions, Environmental engineering science, 15 (1998), 71-78. [6] Li Y., Liu H.: High-pressure compaction of waste paper to form useful fuel, Fuel Processing technology, 67 (2000), 11-21. [7] Erdincler A. U., Vesilind P. A.: Energy recovery from mixed waste paper, Waste Management & Research, 11 (1993), 507-513. [8] Chalupa P.: Výroba kombinovaných paliv na bázi hnědého uhlí, diplomová práce, VŠCHT Praha, 2002. [9] BREF, překlad referenčního dokumentu – průmysl papíru a celulózy, MPO ČR, prosinec 2001. [10] Öhman M., Boström D., Nordin A., Energy & Fuels 2004, 18, 1370-1376.

- 13 -

Energie z biomasy III – seminář

Brno 2004

- 14 -