Ostrava - Mar

STUDIE ZAŘÍZENÍ NA PYROLYTICKÝ ROZKLAD ODPADŮ

Zadavatel: Ministerstvo životního prostředí ČR odbor fondů EU Vršovická 65 100 10 Praha 10 Česká republika

Zhotovitel: a FITE a.s. Výstavní 2224/8 709 51 Ostrava - Mar. Hory VŠB – Technická univerzita Fakulta strojní 17. listopadu 15/2172 708 33 Ostrava - Poruba

Ostrava, květen 2010

®

Studie zařízení na pyrolytický rozklad odpadů I.

STUDIE ZAŘÍZENÍ NA PYROLYTICKÝ ROZKLAD ODPADŮ ČÁST I.

-2-

Studie zařízení na pyrolytický rozklad odpadů I. Obsah 1.

Strana

POPIS A ROZDĚLENÍ PYROLÝZNÍCH A JIM PODOBNÝCH PROCESŮ. ........................................... 4 1.1 1.2 1.3

ZÁKLADNÍ PRÁCE ...................................................................................................................................... 10 PYROLÝZNÍ REAKTORY .............................................................................................................................. 10 PYROLÝZNÍ POSTUPY PRO ZPRACOVÁNÍ ODPADŮ....................................................................................... 12

2.

POPIS ZKUŠENOSTÍ Z PYROLÝZNÍCH ZAŘÍZENÍ V ČR.................................................................... 17

3.

POPIS ZAŘÍZENÍ V PRŮMYSLOVÉM MĚŘÍTKU V ZAHRANIČÍ ...................................................... 20 3.1 3.2 3.3 3.4

4.

SIEMENS - (SCHWEL-BRENN-VERFAHREN)............................................................................................... 20 POPIS PYROLÝZNÍCH ZAŘÍZENÍ ................................................................................................................... 22 SOUČASNÁ SITUACE VE SVĚTĚ ................................................................................................................... 32 SHRNUTÍ .................................................................................................................................................... 34

EKONOMICKÁ NÁROČNOST..................................................................................................................... 36

5. ZHODNOCENÍ TECHNOLOGIE PYROLÝZY Z POHLEDU MOŽNOSTI A VHODNOSTI POSKYTNUTÍ PODPORY Z OBLASTI PODPORY 4.1 OPŽP. ......................................................................... 41 6.

ZÁVĚR .............................................................................................................................................................. 43

7.

POUŽITÉ PODKLADY .................................................................................................................................. 45

-3-


ÚVODEM S ohledem na hlavní cíl zadání studie to je zhodnocení technologie pyrolýzy z pohledu možnosti a vhodnosti poskytnutí podpory z oblasti podpory 4.1 OPŽP, zda je technologii pyrolýzy možné považovat za provozně otestovanou, je studie strukturována na obecnou část, ve které jsou základní informace o procesu pyrolýzy, dále jsou diskutovány výzkumné práce v oblasti pyrolýzy odpadů a jejich aplikace v průmyslovém měřítku. U vybraných komerčních zařízení je stručný popis technologie, případně blokové schema. Většina informací pochází z provedené rešerže prací v oblasti pyrolýzy odpadů, hlavně německé provenience a dále z diskuzí s panem prof. Bornem, ze saské univerzity ve Freibergu, který pracoval v oblasti pyrolýzy odpadů a v současné době spolupracuje s VŠB – TU Ostrava při testování pilotní jednotky pyrolýzy vybraných frakcí odpadů. Důležitou část z pohledu uvedeného cíle tvoří i doposud získané zkušenosti na pilotní jednoce PYROMATIC VŠB – TU Ostrava. Zmíněné části studie jsou pak podkladem pro zhodnocení, zda je technologii pyrolýzy možné považovat za provozně ověřenou a zda je ji možné a za jakých podmínek doporučit k provozní aplikaci v ČR. Studie je zaměřená na pyrolýzní procesy odpadů s důrazem na zpracování SKO podle zadání. Pokud se týče zplyňovacích procesů jsou zmíněny procesy s využitím plazmových hořáků. Do studie nejsou zahrnuty technologie pyrolýzy nebo zplyńování biomasy.

1. Popis a rozdělení pyrolýzních a jim podobných procesů. Termické procesy zpracování odpadů Pro lepší orientaci ve studii používané terminologie uvádíme základní definici jednotlivých termických procesů zpracování odpadů. • • •

Spalování Zplyňování Pyrolýza

Spalování probíhá za přebytku kyslíku, zdrojem kyslíku pro spalování je vzduch. Cílem je aby následující reakce

C + O2 2 H2 + O2

CO2 2 H2O

a

-4-

Studie zařízení na pyrolytický rozklad odpadů I. proběhly stechiometricky, to je aby veškerý uhlík respektive vodík obsažený ve spalovaném mateiálu zregoval podle uvedených rovnic. Spalování probíhá podle druhu spalovaného odpadu při teplotách 800 – 1200 OC. Reakce jsou exotermní, hlavním produktem spalování je energie využitelná pro výrobu tepla nebo elektrické energie. Kromě toho probíhají další oxidační reakce, síra reaguje na oxidy síry, dusík se oxiduje na NOx, dále v malém množství vznikají i složitější uhlíkaté sloučeniny s kyslíkem, halogeny reagují na halogenvodíky. Produkty těchto vedlejších reakcí při spalování odpadů tvoří z hlediska životního prostředí nežádoucí podíl ve spalinách a proto je nutnou součástí spaloven odpadů kromě jiných i zařízení čištění spalin.

Zplyňování probíhá za podstechiometrického množství kyslíku, protože cílem je, aby oxidační reakce uhlíku proběhla pouze na oxid uhelnatý podle následující rovnice: 2 C + O2

2 CO

a

reakce 2 H2 + O2 byla zcela potlačena. Teplota při zplyňování se pohybuje cca v rozmezí 1000 – 1500 OC. V praxi samozřejmě dochází v malém množství i k reakcím, kdy vzniká i CO2 a voda. Produktem je syntézní plyn to je převážně směs CO + H2, který je možné využít materiálově nebo k výrobě energie. Při zplyňování se používá při reakci buď kyslík, nebo vzduch obohacený kyslíkem na 90 a více %. Důvodem je vyloučení dusíku ze vzduchu, protože dusík tvoří s ohledem na materiálové i energetické využití syntézního plynu nežádoucí složku. V případě zplyňování se vzniklý syntézní plyn podrobuje čištění, ještě před vlastním užitím. S ohledem na „redukční” atmosféru mají nežádoucí složky vzniklé z přítomných prvků jiný charakter než při spalování, např. ze síry vzniká sirovodík a je rovněž značně potlačena tvorba vyšších uhlíkatých látek s kyslíkem. Syntézní plyn je možné využívat materiálově např. pro výrobu vodíku, pro výrobu metanolu, nebo kapalných paliv Fischer-Tropschovou syntézou. V praxi převažuje energetické využití syntézního plynu na plynové turbině v kogeneračním cyklu, nebo na plynovém motoru. Plazmové zplyňování je zplyňování, kde se potřebné teplo ke zplyňovacím reakcím dodává v elektrickém oblouku vytvořeném v plazmovém hořáku.

-5-


Pyrolýza Přesto, že jsou v současné době technologie a technické zařízení na spalování odpadů vysoce vyvinuté má pojem pyrolýza a její aplikace pro využití odpadů stále své zastánce. Argumenty hovořící pro rozvoj pyrolýzy pro využití odpadů cílí na menší množství odplynů, nižší teploty, méně škodlivin atd. Hlavně v 70-tých letech byly provedeny četné výzkumné a vývojové záměry, které naznačily, že pyrolýza může být vhodný postup k zpětnému získání vysokého podílu surovin z odpadu. Očekávané možné výhody tohoto nového systému byly především: • Výroba paliv (koks, olej, plyn) nebo hodnotných produktů (vodík, syntézní plyn) • významné snížení objemu plynu k čištění • zpětné získání železných a neželezných kovů a vitrifikovaného inertu ze zbytku • nižší provozní náklady • použitelnost pro menší jednotky Výroba pevných paliv byla důvodem pro koncepci malých decentralizovaných pyrolýzních jednotek. Koks z odpadu však nebylo nikdy možné s úspěchem uplatnit na trhu, takže všechny pyrolýzní produkty musely být spotřebovány na místě. Tím je provoz poměrně komplikovaný, protože vedle pyrolýzní jedenotky musí být také spalovací jednotka s několika stupni. Pyrolýza může probíhat jako samostatný proces a nebo je součástí jiného zařízení např. jako předřazený proces v energetickém zdroji, který využívá produkty pyrolýzy. V odpadovém hospodářství nezískala dosud pyrolýza SKO nebo jiných odpadů v rámci EU větší význam, ačkoliv především v 70.-tých letech byla v souvislosti s tímto postupem velká očekávání. Definice Pyrolýza je postup termického zpracování organických látek s vyloučením přístupu kyslíku, vzduchu nebo jiných zplyňovacích látek. Běžně se pro pojem odplynění prosazuje výraz pyrolýza, ačkoliv se takto přísně vzato označuje pouze chemický postup při přeměně. V chemických postupech jsou takové procesy označovány jako suchá destilace, termický cracking, nízkotepelná karbonizace nebo koksování. Avšak tyto postupy jsou obtížně použitelné pro nehomogenní směsi odpadů. V přesném slova smyslu se pod pojmem pyrolýza rozumí termický rozklad látek bez přístupu kyslíku tedy v atmosféře, ve které nedochází ke spalování. Reakčními produkty jsou plyny, plynné uhlovodíky, stejně jako pevné, koksu podobné zbytky s inertními materiály.

-6-


Pyrolýza – nebo odplyňovací proces probíhá obecně ve třech fázích. • Sušení • Karbonizace • Tvorba plynu Teplota 100 – 2000C 2500C 3400C 3800C 4000C 400-6000C 6000C nad 6000C

Chemická reakce Termické sušení, fyzikální odštěpení vody Deoxidace, desulfurace, odštěpení vázané vody a CO2, depolymerace, začátek odštěpování H2S Štěpení alifatických uhlovodíku, vznik metanu a jiných alifatických uhlovodíků Karbonizační fáze Štěpení vazeb uhlík-kyslík, uhlík-dusík Přeměna bitumenových složek na pyrolýzní olej a dehet Krakování za vzniku plynných uhlovodíků s krátkým uhlíkovým řetězcem, vznik aromátů podle následujícího schematu: dimerizace etylenu na buten, dehydrogenace na butadien, dienová reakce s etylenem na cyklohexan, termická aromatizace na benzen a výševroucí aromáty

V teplotní oblasti do 1500C se zplyní fyzikálně vázaná voda. Tento proces spotřebuje cca 2250 KJ energie na 1 kg vody, proto je účelné předřadit reaktoru lis nebo sušící agregát, v případě, že vstupní material má velký obsah vody. (např. kaly z ČOV, kejda ap.) Při teplotách 300 až 5000C dochází ke karbonizaci. Radikálové skupiny výšemolekulárních organických látek jako celuloza, bílkoviny, tuky a plasty se odštěpí, vzniká plyn, kapalné uhlovodíky a pevný podíl - uhlík. V plynné fázi nad teplotou 5000C se při karbonizaci vzniklé produkty dále štěpí. Přitom vznikají z pevného uhlíku a kapalných organických látek stabilní plyny vodík, oxid uhelnatý, oxid uhličitý a metan. Mechanismus: Podle složení látek začíná pyrolýzní proces při různých teplotách. Průběh chemických reakcí při odplynění může být cíleně ovlivněn, protože závisí na mnoha faktorech. Kvantitativní rozdělení a kvalitativní složení produktů určují následující faktory: • chemické složení, obsah vody a velikost částic vstupního materiálu • provozní podmínky jako teplota odplynění, doba ohřevu, doba zdržení, tlak, plynná atmosféra, katalytické účinky přítomných látek

-7-

Studie zařízení na pyrolytický rozklad odpadů I. •

typ reaktoru, ve kterém probíhá reakce jako fluidní vrstva, rotační pec a šachtový reaktor

Vliv jednotlivých parametrů Tlak a teplota Obecně je možné konstatovat, že se stoupajícím tlakem probíhá štěpení uhlovodíkových molekul symetričtěji a místo štěpení v řetězci se stoupající teplotou se posouvá na konce molekul, takže dochází k tvorbě plynných uhlovodíků a v konečné fázi vodíku. Se stoupající teplotou dochází ke štěpení silnějších vazeb. V závislosti na teplotě jsou proto různé výtěžky pyrolýzních produktů to je pyrolýzního oleje, plynu a pevného zbytku. Použití Pyrolýzní postup je vhodné použít pro zhodnocení odpadů pro štěpení směsi materiálů na plynné a pevné frakce aniž by musely tyto procesy probíhat za vysoké teploty jako při spalování. Pyrolýza plastů I přes rozdílné štěpné mechanismy a rychlosti štěpení a obzvláště jejich teplotní závislosti je teoreticky možné štěpení různých plastů na různé frakce teplotně programovatelnou pyrolýzou. Velkým stimulem pro využití této možnosti v praxi bylo cílené získávání definovaných chemických látek. Toto se ovšem nepodařilo v jednoduché formě, s ohledem na množství nežádoucích vedlejších produktů, realizovat. Vedlejší produkty Na základě redukční atmosféry při pyrolýze přecházejí problematické prvky jako chlor, síra, kyslíkaté a dusíkaté sloučeniny na odpovídající sloučeniny s vodíkem. Ze stejných důvodů je podstatným způsobem redukována tvorba dioxinů a furanů. Výhodou pyrolýzy proti spalování je v redukci objemu štěpného plynu o faktor 5-20 proti spalinám při spalování odpadů. To současně umožňuje při čištění pyrolýzního plynu od HCl, H2S, HF menší zřízení při jejich vypírce, než u vypírky několikanásobně většího objemu spalin. Energetická bilance Pyrolýza je celkově endotermní proces, ale část potřebné energie je možné pokrýt vyrobeným pyrolýzním plynem. Při cíleném odstranění plyných a kondenzovatelných škodlivin je pyrolýza postup vyhovující požadavkům životního prostředí.

-8-


Následující blokové schema představuje jednoduchou materiálovou a energetickou bilanci pouze pro proces pyrolýzy. Jak vyplývá z celé řady citací a blokových technologických schemat vybraných procesů uvedených ve studii je proces pyrolýzy vždy předřazen spalování produktů pyrolýzy, nebo je předřazen zplyňování s následným spalováním syntézního plynu jako produktu zplyňování. Energie zemního plynu slouží pro dodání tepla potřebného pro průběh pyrolýzy. Je samozřejmě možné dodávat teplo částí produkovaného plynu. Bilance je pro zjednodušení na pyrolýzní plyn, protože se předpokládá, že následné spalování probíhá bez předchozí kondenzace složek, které jsou za atmosferických podmínek kapalné.

Pyrolýza Hmotnostní bilance Pyrolýzní plyn 26 MJ/kg 8940 kg/h

Výhřevné frakce 13 300 kg/h 18 MJ/kg

Pyrolýzní koks 3 300 kg/h 8,5 MJ/kg

Pyrolýza

Spalovací vzduch 16 220 kg/h

Palivo k výrobě proudu

Kovy 1060 kg/h Recyklace kovů

Spaliny z ohřevu rotačního bubnu 16 910 kg/h

Využití energie ve výměníku

Zemní plyn 690 kg/h

Energetická bilance

Výhřevné frakce 240,7 GJ/h 89,2%

Pyrolýzní plyn 232,8 GJ/h 86,3%

Palivo k výrobě proudu

Pyrolýza

Pyrolýzní koks 28,3 GJ/h Spaliny 5,1 GJ/h Zemní plyn 29,2 GJ/h 10,8%

Ztráty 3,7 GJ/h

-9-

Využití energie ve výměníku


1.1 Základní práce Větší počet prací v oblasti pyrolýzy odpadů byl proveden v 70-tých letech. Tehdy v souvislosti s obavami o konečnost “hranic růstu” se hledaly cesty jak v odpadech obsažené suroviny reaktivovat. Výzkumné práce pyrolýzy plastů v solné lázni a pískové fluidní vrstvě se štěpným plynem, popřípadě dusíkem jako fluidním mediem vedl prof. Sinn na univerzitě Hamburg. Sledoval chování plastů jako polystyrol, polyethylen, polypropylen a polyvinylchlorid. Prof. Sinn a americké Bureau of Mines ve spolupráci s Firestone prováděli základní práce na pyrolýze rozdrcených pneumatik. Z kvalitativní a kvantitativní závislosti vyráběných produktů na teplotě zjednodušeně řečeno vyplývá, že se stoupající pyrolýzní teplotou v oblasti 600 až 8500C stoupá podíl uhlíku a plynu a klesá podíl kapalných uhlovodíků. Se stoupající teplotou se zvyšuje tvorba sazí a tím roste obsah uhlíku v tuhém zbytku. Podíl parafínů a nafténů v uhlovodících se snižuje. Oproti tomu se zvyšuje podíl aromátů. Obsah vodíku a metanu stoupá na úkor vyšších uhlovodíků, přičemž klesá výhřevnost plynu. Pro posouzení pyrolýzy komunálního odpadu je možné mimo jiné citovat práce Bureau of Mines (Garrett) , výzkumné laboratoře Occidental Petroleum a Hitachi. Také zde platí výše zmíněná kvantitativní výtěžnost produktů, ale elementární analýza uhlovodíků z pyrolýzy komunálního odpadu 57,5% uhlík 7,6% vodík 33,4% kyslík se odlišuje významně od průmyslových odpadů u nichž je obsah kyslíku u získaných uhlovodíků pod 1%. V případě pyrolýzy SKO jsou produkované uhlovodíky termicky nestabilní a ve vysokém měřítku rozpustné ve vodě. Tím jsou pro látkové využití nevhodné a prakticky zhodnotitelné pouze termicky.

1.2 Pyrolýzní reaktory Pro termické zpracování odpadů existuje několik typů reaktorů. Diskontinuální pyrolýza v autoklávu, který byl použit pouze k základnímu výzkumu. Sloužil ale k řešení odstruskování a řešení problematiky oddělování fází. Důležité bylo znovu použití přístroje. Výhodou je jednoduchost reaktoru, nevýhodou šaržový postup v inertní atmosféře při najíždění a odstavování reaktoru. Dánská firma Kroyer zkoušela pyrolýzu SKO v šachtové peci. Těžkosti způsobovala pomalá výměna tepla z reakční stěny na materiál a transport tepla během vsádky. - 10 -

Studie zařízení na pyrolytický rozklad odpadů I. Z tohoto důvodu může mít reaktor jen malou šířku a doba zdržení je relativně delší, aby došlo k úplnému vyzrání koksu. Větší prosazení je možné paralelním zařazením více reaktorů. Vně vyhřívaná trubka byla použita k pyrolýze měděných kabelů. Kombinace táhla a podavací tyče dopravuje material do reaktoru. Měď získaná po následném praní byla metalicky čistá. V Japonsku použilo několik firem pyrolýzu odpadních polyolefínů v kapalné fázi, při reakčních teplotách 400 až 4500C. Sanyo-electric použilo jako topné medium mikrovlny. Řada japonských výzkumníků využila reaktor s fluidním ložem pro pyrolýzu plastů. Na základě zvolené nízkoteplotní oblasti 400 až 4500C vznikaly produkty bohaté na alifatické olefíny. Pyrolýzou plastů a pneumatik při vysokých teplotách vznikaly oleje s obsahem vyšších aromátů. Výhody reaktorů s fluidním ložem 1) Jednoduchá konstrukce pece 2) Odolnost ke kolísání ve složení odpadů 3) Kratší doba zdržení materiálu 4) Quasi izotermní process Nevýhody 1) Vysoké náklady na přípravu vsázky 2) Potřeba přesné regulace teploty, protože nesmí být dosažen bod tavení popele a materiálu fluidního lože 3) Vysoký obsah popele v plynu Reaktory, které tvoří rotační buben, mohou být ohřívány sáláním i konvekcí jak vně tak zevnitř s kouřovody, případně keramickými kuličkami. Mohou se v nich současně zpracovávat i různé průmyslové pyrolýzyschopné odpady. Tento typ reaktoru se používá také k pyrolýze SKO. Výhodou je relativně krátká doba zdržení, jen hrubě drcený material a malé tepelné ztráty. Malý kontakt plynu s pevnou fází neumožňuje efektivní eliminaci škodlivých látek přidáním přísad. V procesu pyrolýzy se aplikují převážně reaktory ve tvaru rotačního bubnu. Plyny jsou v tomto případě vedeny souproudem, což znamená kratší dobu zdržení plynů v reaktoru, a z tohoto důvodu nelze dosáhnout dostatečné rovnováhy. Zpočátku vznikají nevýhřevné pyrolýzní plyny CO2 a H2O, které odcházejí relativně rychle z reaktoru, bez

- 11 -

Studie zařízení na pyrolytický rozklad odpadů I. toho, aby se částečně v intenzivním kontaktu s koksem posunula rovnováha směrem k CO a H2. Proto vznikají při pyrolýze v rotačním reaktoru méně hodnotné plyny.

1.3 Pyrolýzní postupy pro zpracování odpadů. Seznam pyrolýzních postupů použitých pro zpracování odpadů. Tabulka č.1 Pilotní zařízení Označení postupu KWU proces Schwel-BrennVerfahren (SBV) Thermoselect Mitsubishi

Postup

Druh odpadu

Produkty

Kapacita

Rotační buben, nepřímý ohřev až 7000C

SKO

Energie

200 kg/h Ulm, Wieblingen, SRN

SKO Energie Odpadní plasty Olej ,plyn

Waterloo University

Rotační buben tavící kotel nepřímý ohřev 5000C Extruder nepřímý ohřev Šachtový reaktor přímý ohřev 500 – 7000C Krátkodobá pyrolýza 500-7000C

West Virginia University

Union Carbide Voest Alpine

Vosky Vybrané druhy odpadů

Plyn,pára

Plasty

Olej,plyn

Dvě fluidní jednotky jedna oxidační

Vybrané druhy odpadů

Energie

BASF postup

Míchaný reaktor 4000C

Vybrané druhy odpadů

Pyrolýzní olej, plyn

Hamburg postup

Fluidní jednotka,nepřímý ohřev, 600-9000C

Odpadní plasty

DAL

Rotační buben

SKO, pneumatiky,

- 12 -

Pyrolýzní olej,plyn, saze

Pyrolýzní plyn,

Verbanie, Itálie Tokio Japonsko 0,1 t/h Pilotní zařízení USA Pilotní zařízení 0,65 t/h Linec, Rakousko Laboratorní zařízení Waterloo, Kanada Laboratorní zařízení West Virginia University USA Pilotní zařízení 1,7 t/h Ludwigshafen SRN 20-60 kg/h Universita Hamburg 0,5 t/h Ebenhausen, Ingolstadt SRN Plaidt u Koblenz SRN 2 t/h

Studie zařízení na pyrolytický rozklad odpadů I. Označení postupu

Postup

Druh odpadu

Produkty

drcené kabely energie Odpadní plasty, pneumatiky, kabely

MVU

Rotační buben

DestrugasPostup von Kroyer

Šachtový reaktor

SKO

Plyn

Šneková retorta

Plasty, pneumatiky

Plyn,olej, koks Energie

VŠB – TU PYROMATIC

Kapacita 200 kg/h Kalundborg Dánsko 250 kg/h Ostrava ČR 100 kg/h

Na základě výše uvedených výzkumných prací byla hlavně v 70-tých letech realizována a provozována pokusná a pilotní zařízení. Několik z těchto konceptů, které udávaly směr, je popsáno v následující části. KWU-Siemens SBV Společnost Siemens vyvinula v německém Ulm-Wieblingenu pilotní zařízení o kapacitě 200 kg/h komunálního odpadu označovanou SBV Schwel-Brenn-Verfahren. Základní idea tohoto postupu byla výroba syntézního plynu, který se použije k výrobě elektrického proudu na generátoru poháněném spalovacím motorem a nebo bude použit spalováním v kotli pro výrobu tepla. SKO se po rozdrcení dopravuje šnekovým dopravníkem do nepřímo ohřívané rotační pece. Šnek současně těsní pec proti atmosféře. Ohřev pece je tvořen uvnitř po celé délce pece vedenou trubkou, která zajišťuje výměnu tepla. Ohřev je zajišťen ve spodní části párou a v horní části zemním plynem. Pevný produkt pyrolýzy se po výstupu z pece dále zpracovává. Sklo, kovy a kameny se vytřídí a dále využijí. Pyrolýzní koks se rozemílá. Pyrolýzní plyn se bez odprášení spaluje spolu s pyrolýzním koksem ve spalovací komoře bezprostředně zařazené za rotační pecí. Při spalování se dosahuje teploty 13000C, přičemž se minerální podíl roztaví. Tavenina se vynáší do vodní lázně. Spaliny procházejí čištěním spalin. Mitsubishi Proces probíhá v tavící nádobě, rotační peci a fluidním pískovém loži. Tímto postupem je možné získat z některých polymerů např. polystyrénu nebo polymetymetakrylátu zpět monomery. Destrugas-Postup von Kroyer Dánská firma Pollution Control Ltd. instalovala v roce 1971 pilotní zařízení podle postupu destrugas v Kalundborgu. Kapacita zařízení byla 6t SKO za den. Postup pracoval s reaktorem šachtového typu a byl koncipován výhradně pro pyrolýzu SKO a

- 13 -

Studie zařízení na pyrolytický rozklad odpadů I. odpadům SKO podobným. SKO byl nejdříve rozdrcen a výtahem podáván do reaktoru. Šachtová pec sestávala z pravoúhle, keramicky vyložené roury eliptického průřezu. Reaktor byl na svém horním konci otevřený a byl proti atmosféře uzavřený násypem materiálu. Doba zdržení v reaktoru byla 24 hod. Teplota ve spodní části reaktoru byla 9000C. Produkovaný plyn byl odebírán k ohřevu reaktoru a spalován z vnějšku. Pyrolýzní plyn byl odtahován ze spodní části reaktoru a čištěn v protiproudé pračce před použitím k ohřevu reaktoru.

KPA V tomto případě byl použit jako reaktor zevnitř ohřívaný rotační buben. Cílem byla nízkoteplotní pyrolýza, při které bylo možno použít feritické oceli u rotující pece a tím snížit investiční náklady. Pyrolýzní plyny byly vedeny do konvertoru, ve kterém se organické látky štěpily na uhlovodíky s krátkým řetězcem . Získaný štěpný plyn byl spalován v plynovém motoru s generátorem na produkci el. proudu. Odplyny z plynového motoru se používaly k ohřevu rotační pece. Pilotní zařízení s kapacitou 3t/h k demonstračním účelům bylo uvedeno do provozu v Aal (SRN) v roce 1982. DAL V Plaidtu u Koblenz instalovala Deutsche Anlagen Leasing výzkumné zařízení na pyrolýzu SKO. Jako pyrolýzní reaktor zvolil DAL rotační pec ohřívanou zvnějšku s průměrem 1 m a délkou 10 m. Za rotační pecí byla zařazena spalovací komora a čištění spalin . Kapacita 2t/h SKO. Na tomto zařízení se prováděly pokusy i s jinými odpady (pneumatiky, plasty, drcenými kabely). Kobe Steel Japonská firma Kobe Steel testovala zařízení na pyrolýzu pneumatik s kapacitou 200 kg/h. Staré pneumatiky byly nejdříve rozdrceny na velikost 30 mm a následně šnekovým podávacím zařízením dávkovány trojnásobným klapovým uzávěrem do vně ohřívaného otočného bubnu po předchozím profouknutí dusíkem. Maximální termické zatížení bubnu bylo 8000C. Normální provoz probíhal při 5000C. Doba zdržení 20 minut. Protože při pyrolýze pneumatik se produkuje značné množství sazí a docházelo k napékání byl dodatečně zabudován do bubnu seškrabovací systém. Pevné reakční produkty byly transportovány chlazeným šnekem do výklopného přepadu a ochlazené na 500C konečně do zásobníku. Pyrolýzní plyn byl ochlazen v quenchi těžkým produkovaným olejem na 800C. Současně byly vedle výše vroucích uhlovodíku oddělovány i částečky sazí. Čerpadlo dopravovalo skladovaný Quencholej do dekantéru v kterém se rozsadily saze a nečistoty. Poté byl Quencholej opět použit k chlazení produkovaného plynu. Odsazený kal obsahoval 30% sazí a 70% oleje. V následném vodou chlazeném výměníku tepla kondenzovaly ještě v plynu obsažené níževroucí - 14 -

Studie zařízení na pyrolytický rozklad odpadů I. uhlovodíky. Ty byly použity k ohřevu reaktoru. Plyn obsahující sirovodík proudil přes louhovou pračku, v níž se zachytily sirné sloučeniny. Universita Hamburg Na institutu anorganické a použité chemie university Hamburg byl testován pro pyrolýzu plastů pyrolýzní reaktor s fludním ložem SiO2 při teplotě mezi 650 až 850 0C. Jako fluidní plyn sloužil na 4500C předehřátý pyrolyzní plyn. Jako dávkovací systém drcených plastů byla zvolena kombinace dávkovacího podavače a vodou chlazeného šneku. Reaktor sestával ze tří prstenců o průměru 500 mm. V prostředním prstenci byl napojen na přírubě dávkovací systém . Vespod a nahoře dávkovacího šneku byly umístěny dva sálavé hořáky. Vyrobený pyrolýzní plyn spolu s fluidním plynem se čistil v cyklonu a následně byl ochlazen na 30 až 800C . kondenzát se shromažďoval ve frakční nádobě. Plyn je propírán pyrolýzním olejem přičemž zkondenzované uhlovodíky se rozpouštějí v pyrolýzním oleji. Pyrolýzní plyn byl stlačován membránovým kompresorem na 2 až 3 bar a skladován v tlakovém zásobníku. Odtud byl fluidní plyn pro reaktor a topný plyn pro hořák odčerpáván. Přebytečný plyn byl spalován na fakuli. Jako produkty podle výchozího materiálu vznikaly 40 až 60% pyrolýzní olej a pyrolýzní plyn s obsahem metanu, etanu, etylenu a propenu a až 20% vodíku. Výhřevnost plynu se pohybovala okolo 45 MJ/m3 něco nad zemním plynem. Mitsui Petrochemical Industries MPI spolu s Mitsui Engeenering a Shipbuilding představil Mitsui Plastic Waste Thermal Cracking Process (MWC process). Prototypové zařízení s kapacitou 36t/den bylo uvedeno do provozu v roce 1971 v Chiba u Tokia. Jako vstup sloužily odpadní plasty nízkomolekulární polyetylen, ataktický polypropylen a polypropylen. Odpady byly depolymerovány v roztavené formě za tlaku a při teplotě 400 až 5000C. Plynné reakční produkty přecházejí zčásti do refluxního kondenzátoru , kde kondenzují výševroucí uhlovodíky a vrací se zpět do reaktoru. Ve druhém kondenzátoru kondenzující níževroucí uhlovodíky byly shromažďovány a používány jako náhrada topného oleje. Nekondenzující plyny byly spalovány na fakuli. Při pyrolýze vznikaly voskovité zbytky, které byly složeny z částečně odbouraného polymeru a uhlíku. Byly použity k ohřevu reaktoru. Výtěžek pyrolýzy nízkomolekulárního polyetylenu: 1) Plyn 5% 2) Olej 85% 3) Voskovitý zbytek 10%

- 15 -


MVU Cílem procesu MVU – ROTOPYR bylo vyvinout technologie, která by splňovala předpoklady výroby produktů uplatnitelných na trhu. Z tohoto důvodu spolupracovala MVU s Rutgerswerke a Eisen-metall. Rutgerswerke jeko největší producent dehtu v Německu zajišťoval jakostní management za pyrolýzní olej a Eisen-metall za recyklované neželezné kovy zvláště měď. Pro testování byly použity následující odpady: • • • • •

Zbytky s obsahem plastů Drcené odpady Pneumatiky Staré kabely Kyselinové pryskyřice z regenerace olejů

Společný těmto odpadům je vysoký organický podíl, jiné hodnotné látky a jejich dostatek. Kromě pyrolýzy těchto odpadů samostatně byly testovány i jejich směsi. Vývoj tohoto zařízení byl podporován spolkovým ministerstvem pro výzkum a technologie. Protože se jednalo o jeden z postupů, který měl prokázat možnost materiálového využití produktů pyrolýzy je popsán podrobněji. Technologie S ohledem na fyzikální a chemické vlastnosti odpadů zvolených k pyrolýze byl jako pyrolýzní reaktor, navržen vně ohřívaný rotační buben. Za ním byly zařazeny další stupně, sloužící k dělení pyrolýzních produktů. Kapacita pokusné jednotky byla cca 200 kg/h. Odpady byly dávkovány přes uzávěr dávkovacím šnekem do pyrolýzního bubnu. Pevné produkty kovy , uhlík vypadávaly na konci bubnu do vodního uzávěru (kapsy). Pyrolýzní plyn byl bezprostředně po výstupu z reaktoru veden do rotační pračky, ochlazen na cca 500C , přičemž saze a výše vroucí uhlovodíky klesly na dno pračky. V následně zařazeném výměníku tepla se pyrolýzní plyn zchladil na atmosferickou teplotu, přičemž zkondenzovaly další uhlovodíky. Tyto obsahovaly 30 až 40% lehce vroucích a BTX-frakcí. K odstranění kyselých plynů ze surového plynu(HCl, H2S, HCN) procházel plyn vodní a alkalickou pračkou. V další stupni byl plyn propírán ještě pyrolýzním olejem k zachycení benzenu a jeho homologů. Vyčištěný pyrolýzní plyn byl používán k ohřevu rotačního bubnu. Směs oleje a vody z výměníku se oddělovala v dekantéru. Olej ze sprchové pračky, dekantéru a olejové pračky byl shromažďován a odcházel do destilace. Lehká a těžká olejová frakce tvořily produkty a střední frakce se používala jako prací olej.

- 16 -


Výsledky Teplota vnější stěny pyrolýzního reaktoru se ukázala jako dostatečná pro vedení procesu. Teplota nad 6500C zajišťovala dostatečně aromatizaci produkovaného oleje a doba zdržení pro úplnou karbonizaci byla 45 min. Jako materiál reaktoru byla zvolena austenická ocel 1.4845 (25% Cr, 20% Ni), která plně vyhověla. Totéž platí pro sklo, materiál zvolený pro nízkoteplotní část zařízení, ve které s ohledem na rosný bod vládly velmi agresívní podmínky. Současně měly skleněné části pozitivní vliv pro obsluhu. Energetická bilance vykazovala více než 80%ní přeměnu jak např. ukazuje Sankey-diagramm pro velkokapacitní zařízení s výměnou kouřových plynů. Složení produktů ukazuje zřetelné rozdíly u různých vstupních materiálů. Např. poměr olej – plyn byl od 0,3 u odp. kabelů po 1u směsi odpadů. Homogenní výsledky ukázaly analýzy pyrolýzního oleje. Podíl BTX aromátů obnášel mezi 38 až 48%. Podíl dehtu u pneumatik a drceného odpadu byl přirozeně větší, než u pyrolýzy plastů. Obsah uhlíku v koksu z pyrolýzy pneumatik byl nejvyšší více než 80%. U ostatních surovin byly hodnoty 50 až 60%. Většina Cl přešla do procesní vody jejíž množství se podle zpracovávané suroviny pohybovalo od 1do 2%. To samozřejmě vyžaduje další zpracovací stupně. Do pyrolýzního oleje přechází přes polovinu síry obsažené ve vstupním odpadu. Tento poměrně sofistikovaný pilotní projekt nebyl v průmyslovém měřítku realizován a výsledky ukázaly, že produkty pyrolýzy nejsou materiálově použitelné.

2. Popis zkušeností z pyrolýzních zařízení v ČR V ČR nebyla technologie pyrolýzy pro zpracování odpadů v průmyslovém měřítku doposud aplikována. Podle dostupných informací se uvažuje o zplyňování odpadů v tlakové plynárně ve Vřesové v Karlovarském kraji. V současné době testuje VŠB – TU Ostrava pilotní zařízení na pyrolytický rozklad vybraných frakcí odpadů označovaný jako systém PYROMATIC.

Technologický popis pyrolyzní jednotky PYROMATIC Mechanicky upravený materiál je navážen na požadovanou hmotnost váhou a následně nadávkován pasovým dopravníkem do hermeticky uzavřeného zásobníku. Pomocí zásobníkové stěrky a šnekového dopravníku je materiál dále dávkován do pyrolyzní pece. Šnekový dopravník je poháněn třífázovým asynchronním motorem s kotvou na krátko a regulace otáček je zabezpečena frekvenčním měničem.

- 17 -

Studie zařízení na pyrolytický rozklad odpadů I. Po vyhřátí pece na požadovanou teplotu 500 – 700°C je materiál postupně dávkován do pyrolyzní retorty. Aktivní délka tříšnekové retorty je 4000 mm o průměru 2 x 210 mm a 1 x 110 mm. Posun materiálu v retortě je uskutečněn třemi bezjádrovými šneky, jejichž změnou rychlosti otáček lze měnit dobu zdržení materiálu v aktivní zóně retorty, od 20 do 80 minut. O pohon pyrolyzních šneků se starají třífázové motory s kotvou na krátko, které jsou řízeny taktéž frekvenčními měniči a jejich otáčky jsou redukovány přes planetovou převodovku. Ohřev retorty je zajištěn pomocí 5-ti sekcí plynových hořáků napájených propanem o celkovém výkonu 50 až 200kW, které umožní dosažení maximální provozní teploty až 800°C. Materiál v pyrolyzní peci je tedy rozkládán na pevný uhlíkový zbytek, který je jímán do popelového boxu na konci sekundárního šneku a plynou fázi, která je odváděna potrubím z retorty do cyklonu. Cyklon je zařízení, kde dochází k expanzi plynu a pomocí gravitace jsou odloučeny tuhé znečišťující látky. Tento vyčištěný plyn je dále odváděn do primárního chladícího stupně, kterým jsou dva křížové chladiče pyrolyzní plyn - vzduch. Sekundární dochlazování tvoří výměník pyrolyzní plyn – voda, kde je plyn podchlazován tak, aby nám v potrubí dále již nekondenzoval. Kondenzát vzniklý chlazením pyrolyzního plynu je shromaždován v nádrži na kapalnou pyrolýzní fázi. Tato nádrž je vybavena míchadlem, aby se zamezilo sedimentaci těžkých uhlovodíků. Ochlazený plyn je veden přes odběrovou sondu a průtokoměr do zásobníku pro pyrolyzní plyn odkud je následně spotřebováván dalšími technologiemi například kogenerační jednotkou. Celá pyrolyzní jednotka je řízena pomocí počítače z velínu, jenž je umístěn v přilehlé budově. Výstupy z odběrové sondy jsou vedeny do analyzátorové skříně kde jsou analyzovány TOC, H2, CO, CO2, CH4. Dále je zde přiveden impuls z měřiče průtoku plynu, teploty a vlhkosti plynu za sekundárním chladičem. V druhé skříni je umístěna řídicí jednotka ředění a jednotka úpravy ředícího vzduchu. Poměr ředění odebíraného plynu je 1:50 nebo 1:100.

- 18 -


Obrázek: Čelní pohled na retortu se šneky a hořákem

Obrázek: Řez jednotkou PYROMATIC

- 19 -


Obrázek:Fotografie pyrolyzní jednotky

3. Popis zařízení v průmyslovém měřítku v zahraničí Tabulka č.2 Průmyslová zařízení na pyrolýzu a zplyňování odpadů Označení postupu BKMI postup

3.1

Siemens (SchwelBrennVerfahren)

VEW - Energie

Postup

Druh odpadu

Produkty

Kapacita

Rotační buben SKO nepřímý ohřev, 4005000C

Energie

6 t/h Burgau, Gunzburg SRN

Rotační buben SKO

Energie

Furth SRN 100 kt/rok

Rotační buben Výhřevné frakce

Plyn, koks, energie

Hamm – Uentrop SRN 100 kt/rok

- 20 -

Studie zařízení na pyrolytický rozklad odpadů I. Označení postupu Noell proces

KPA proces

DAL Ebara Kobe Steel Tsukishama Kikai,

Postup

Druh odpadu

Rotační SKO buben, nepřímý ohřev, 6507000C SKO Rotační buben, nepřímý ohřev, 5007000C Rotační buben SKO, pneumatiky, drcené kabely Dvě fluidní SKO, plasty, jednotky odpadní kovy jedna oxidační Rotační buben Staré nepřímý ohřev pneumatiky 500-7000C Dvě fluidní Odpadní plasty jednotky, jedna oxidační

Produkty

Kapacita

Pyrolýzní olej, plyn, koks, energie

6 t/h Salzgitter, SRN

Energie

1 t/h Aalen – Unterkochen,SRN

Pyrolýzní plyn, energie Energie

Plaidt u Koblenz SRN 2 t/h

Olej, plyn, energie Energie

4 t/h Yokohama, Japonsko 1 t/h Kobe, Japonsko 3 x 6,25 t/h Funabashi, Japonsko

Zařízení s fluidní vrstvou. Fluidní technologie v průmyslovém měřítku jsou založeny na zplyňování ve fluidní vrstvě při nízkých teplotách většinou 550 – 6000C kombinované s přímým následným spalováním vyrobeného plynu. Fluidní zplyňování je hlavní technologií používanou v Japonsku pro pyrolýzu odpadů jako procesy Ebara, Kobe Steel, Hitachi. V tomto segmentu je proces Ebara nejvíce používaný proces se 6 provozy na KO a 3 dalšími na bázi různých proudů odpadů. Zpracování ve fluidní vrstvě vyžaduje určitou předpřípravu odpadů. V procesu Ebara velikost 30 cm. Fluidní zplyňování má několik výhod jako: • možnost zpracování širokého spektra odpadů různých druhů odpadů • zpětné získání železných a neželezných kovů, neroztavené které nejsou oxidované nebo • roztavené spolu se struskou a sklem do směsi a očištěné obrusným účinkem fluidního lože

- 21 -


Postupy s rotačními bubny. Pyrolýza probíhá v rotačním bubnu při teplotě 450 – 5000C, který je nepřímo ohřívaný odplyny z plynového motoru vně nebo uvnitř trubkou. Pyrolýzní plyn je znečištěn dehtem vznikajícím při pyrolýze a proto se vede na rozžhavené koksové lože kde,se dehet štěpí. Poté se plyn ochladí, následně čistí v pračce a konečně je spálen na plynovém motoru, který je spojen s generátorem el. proudu. Horké odplyny (spaliny) z motoru slouží jako zdroj tepla pro pyrolýzní reaktor. Prakticky všechny pyrolýzní reaktory realizované v průmyslové měřítku v SRN požívaly technologie s rotačními bubny. Také obě doposud fungující zařízení na pyrolýzu v SRN to je BKMI v Burgau a Hamm používají postupy pyrolýzy v rotačním bubnu. Šachtové pece. Šachtové pece s výstupem strusky byly vyvinuty pro pyrolýzu odpadů v 70-tých letech minulého století na principu běžných hutnických vysokých pecí. V tomto postupu se dávkuje odpad spolu s koksem a vápencem do šachty. Vzduch, kyslík nebo vzduch obohacený kyslíkem sloužící k roztavení koksu se přivádí předehřátý na cca 10000C. Plnění reaktoru se provádí postupně a v protiproudu vstupujícími odplyny se materiál suší, ohřívá a termicky rozkládá. Koks stejně jako z odpadu vytvořený uhlíkatý materiál reaguje s kyslíkem obohaceným vzduchem, který se vhání do tavící zóny. Vyrábí se granulovaná struska, železo, popílek a plyn, který se spaluje v parním kotli. Tekutá struska se vede do vodní lázně, kde dochází k vitrifikaci. Tyto reaktory jsou provozovány v Japonsku, kde je leadrem Nippon Steel. V roce 2008 bylo v provozu 21 zařízení a 3 ve výstavbě s kapacitou 100 – 450 t/den. V následujícím textu je stručný popis technologického postupu, případně blokové schema postupů, které byly realizovány v průmyslovém měřítku a uvedeny důvody odstavení zařízení v případě, že k němu došlo.

3.2 Popis pyrolýzních zařízení BKMI - Anlage Burgau Kapacita 35 000 t/rok SKO v regionu Gunzburg, SRN V Gunzburgu (Bavorsko) zřídila firma Babcock Krauss-Maffei Industrieanlagen (BKMI) v roce 1984 zařízení na pyrolýzu SKO. Zařízení tvořily 2 linky s kapacitou 3t/h. Pyrolýza SKO probíhala při teplotě 400-6000C za přídavku vápna. Relativně nízká teplota měla zabránit přechodu těžkých kovů do plynné faze, s výjimkou rtuti. Zároveň ztěžuje nebo zabraňuje spolu s nedostatkem kyslíku tvorbě polycyklických aromátů. Přidávané vápno váže kysele reagující složky jako např. HCl. Dalším efektem je zvýšení hustoty koksu, přičemž výnos prachu v plynné složce by se měl omezit. Proto byl

- 22 -

Studie zařízení na pyrolytický rozklad odpadů I. k čištění pyrolýzního plynu zabudován pouze cyklon. Vyčištěný plyn byl spalován. Část kouřových plynů sloužila k ohřevu pyrolýzního bubnu, předtím, než byl využit ke klasické výrobě proudu. Pevné produkty z pyrolýzy SKO padají do vodního uzávěru, ze kterého jsou vynášeny k dalšímu zpracování. Po uvedení do provozu se vyskytla celá řada problémů, které byly postupně vyřešeny. Pyrolýzní reaktor tvořený bubnem byl provozován v přetlaku. S tím byly spojené problémy s těsností zařízení a regulací v systému dávkování, topného systému a vynášení koksu. Koks byl na základě své struktury jen obtížně smáčitelný, takže bylo obtížné zabránit ucpávání a tvorbě mostů ve vynášecím zařízení. To si vyžádalo konstrukční úpravy. Nánosy a usazeniny vzniklé kondenzací dehtu v potrubí pyrolýzního plynu velmi ztěžují doprovodné vytápění stěny potrubí. Docházelo rovněž k zanášení stěn plynového potrubí prachem z přidávaného vápna. To vedlo k zanášení potrubí zařazených za cyklonem. Protože zanášení potrubí vedlo k častým odstávkám, byl zabudován keramický filtr. Postupně byly odstraněna řada technických problémů a je možné říct, že tento koncept se ve více než 20 letém trvalém provozu osvědčil. Recirkulace odplynů 200 C

Spalovací vzduch 20 C Plyn

Chladící vzduch

630 C SKO

Pyrolýza 400 - 600 C

Spalování 1200 C

800 C

Kotel 280 C

Čištění spalin

Odplyn

Pyrolýzní zbytek Teplo

Siemens - (Schwel-Brenn-Verfahren) Jak bylo uvedeno v popisu pilotních jednotek vyvinula Společnost Siemens v německém Ulm-Wieblingenu pilotní zařízení o kapacitě 200 kg/h komunálního odpadu označovanou SBV Schwel-Brenn-Verfahren. Na základě výsledků z této pilotní jednotky vybudoval Siemens první komerční zařízení na žádost Zweckverband Abfallentsorgung (svaz pro nakládání s odpady) Rangau u Fürthu (Bavorsko). Zařízení mělo kapacitu 2 x 50 kt/rok. Do provozu bylo uvedeno v roce1994. Problémy při najíždění zapříčinily přerušení zkušebního provozu. Ukázalo se sice, že karbonizace a vysokoteplotní spalování je funkceschopné, ale ukázaly se nedostatky především ve zpracování tuhých zbytků. Vysokoteplotní spalovací komora byla znovu vyzděná. Po cca půl letém přerušení byl v polovině roku 1998 zkušební provoz obnoven.

- 23 -

Studie zařízení na pyrolytický rozklad odpadů I. Slabá místa zařízení jako, dávkovací systém a ohřev rotační pece, úprava plynu a více poruch v srpnu 1998 zapříčinily odstavení zařízení, protože Zweckverband odstoupil od smlouvy.

Procesní plyn

Odpad

Kovy

Pyrolýza

Tuhý zbytek

Spalovací vzduch

Vápno

Spaliny

Vysokoteplotní spalování

Čištění spalin

Tavený granulát

Zbytek z čištění plynu

Výroba proudu

Pyrolýzní zařízení Hamm 100.000 t/rok Pyrolýza odpadů integrovaná do struktury elektrárny Hamm, SRN • • • • • •

různé druhy odpadů, včetně frakcí SKO výroba pyrolýzního plynu a pyrolýzního koksu výroba proudu s vyšší účinností náhrada fosilních paliv využití železných a neželezných kovů využití existující struktury elektrárny

V tomto případě poskytuje pyrolýza moderní využití. Při pyrolýze vznikají výhřevný plyn a koksu podobné pevné frakce. Oba produkty splňují požadavek energetických zařízení, aby mohly být spoluspalovány. To dává předpokldy pyrolýzní zařízení nasazovat jako předřazené energetickým zařízením. Jako příklad, že se nejedná o teorii, může sloužit pyrolýzní zařízení fy. VEW Energie, Dortmund, der Mannesmann Demag Energie- und Umwelttechnik instalované v roce 1998 jako integrální součást elektrárny Hamm – Uentrop. Od roku 2000 se pyrolyzuje ročně 100 kt výhřevných frakcí. Vznikající produkty plyn a pyrolýzní koks přejímá elektrárna k výrobě proudu a nahrazuje tak cca 10% uhlí. Zařízení vybudované firmou Mannesman sestává v podstatě z následujících stupňů:

- 24 -


• • • •

Mechanická úprava Vně ohřívaný rotační reaktor Zpracování pevných zbytků Úprava pyrolýzního plynu

Zvláštností technologie Mannesman je síto na konci rotačního bubnu, které dělí pevný pyrolýzní zbytek na dvě frakce. Jemně zrnitý pyrolýzní koks s obsahem cca 20-30% uhlíku se pod vzduchovým uzávěrem vynáší suchý a následně nepřímo chladí vodou. Nadsítná frakce sestává z kovů a hrubých inertních částí a vynáší se přes vodní uzávěr. Na základě skutečnosti, že pyrolýza probíhá v redukčních podmínkách získávají se kovy a inertní materiál v relativně dobré kvalitě. Pyrolýzní plyn se vede přímo do spodní části spalovacího prostoru a spoluspaluje s uhlím. Jemný koks z podsítné frakce se mele společně s uhlím a spaluje v práškovém hořáku. Vlastní energetická jednotka sestává ze spalovací jednotky, kotle, čištění spalin a komínu. Ve srovnání s konvenčními spalovnami odpadů se dosahuje větší termická účinnost tepla obsaženého v odpadu. Využití zařízení a techniky klasických elektráren vede k nižším investičním nákladům. Rovněž personální a provozní náklady jsou ve srovnání s konvenčními spalovnami nižší. Pozitivním faktorem je také již existující infrastruktura elektráren. Příklad látkové bilance pyrolýzy výhřevné frakce. Pevný produkt 30% Hrubá frakce na sítu 12% Jemná frakce podsítná 18% Pyrolýzní plyn Výhřevnost

70% cca 23 GJ/t

Produkty pyrolýzy dodávají do napojené elektrárny následující specifické teplo Pyrolýzní koks Pyrolýzní plyn Spaliny

1,8 GJ/t 13,7 GJ/t 0,3 GJ/t

Rozdíl proti vstupujícímu teplu 16 GJ/t obsaženému v odpadech obnáší cca 3%. To jsou ztráty ve spalinách, chlazení pyrolýzních pevných produktů a ztráty do okolí. Energetický obsah produktů pyrolýzy z 1t výhřevné frakce, který přechází na elektrárnu odpovídá tedy 0,6 t černého uhlí. Při energetické účinnosti elektrárny spalující černé uhlí

- 25 -

Studie zařízení na pyrolytický rozklad odpadů I. 40% se z pyrolýzních produktů vyrobí 1800 kWh elektrického proudu. Po odečtení vlastní spotřeby pyrolýzy můžeme počítat účinnost cca 38%. Noell - proces Rozdrcený a vysušený odpad se pyrolyzuje v rotační peci při teplotě 500-700 0C. Vznikající plyn se ochladí v Quenchi, dále v alklické pračce zbaví kyselých složek HCl, H2S, HCN a uskladní v plynojemu. Vznikající pyrolýzní olej se uskladní v zásobníku. Pyrolýzní plyn, pyrolýzní olej a pyrolýzní koks se vedou do proudového zplyňovače, kde se přivádí i kyslík a dochází při teplotě 1300 – 15000 C a tlaku 35 bar k reakci na syntézní plyn to je směs CO + H2. Ten se může využívat v chemickém průmyslu nebo energeticky.

Odpad

Pyrolýza 650 C Koks

Quench

Pračka Čistý plyn

Pyrolýzní olej

Proudový zplyňovač

Spalovací komora

Čištění spalin

Odplyn

Thermoselect-proces V procesu Thermoselect se SKO před vstupem do pyrolýzního reaktoru nejdříve slisují. Pyrolýzní reaktor tvoří rotační vně ohřívaný válec, kde se odpady ohřejí a pyrolýzují. Všechny produkty pyrolýzy se v následném stupni to je vysokoteplotní zplyňování s podstechiometrickým množstvím kyslíku při teplotě 12000C zplyní za tvorby syntézního plynu převážně směsi CO + H2. Ze zplyňovacího reaktoru se odvádí přes vodní lázeň roztavená struska. Následuje vícestupňové čištění pyrolýzního plynu. Část syntézního plynu se používá pro ohřev pyrolýzní pece. S ohledem na provozní problémy z hlediska prosazení odpadů, nedosažení požadované úrovně čištění pyrolýzního plynu nebylo nakonec několik připravovaných projektů realizováno a nebo bylo ve stavu realizace odstaveno.

Vzduch

Odpad

Lisování

Pyrolýza

Tavený granulát

Zplyňování

- 26 -

Syntézní plyn

Čištění plynu

Zbytky z čištění plynu


Kobe-Steel Na základě výsledků svého pokusného zařízení vybudovala fy. Kobe Steel v japonském městě Akroh prototypové zařízení na pyrolýzu pneumatik a několik let je úspěšně provozovala. Technologie a zařízení se proti pokusné jednotce nezměnilo. Hlavní cíl byla výroba koksu vysoké kvality, který by byl realizovatelný na trhu. Velmi rychle, ale bylo zřejmé, že z důvodu obsahu nečistot není koks jako materiál pro výrobu pneumatik použitelný. Také adsorpční schopnosti produktu pyrolýzy nebyly dostačující pro použití jako aktivní koks. Po několika letech odstavila Kobe Steel zařízení z provozu z ekonomických důvodů. DRP - Deutsche Reifen Pyrolyse. Firma DRP realizovala v Ebenhausenu zařízení na pyrolýzu 1 t/h starých pneumatik a plastových odpadů. Jádrem zařízení byly dvě fluidní pece, pracující při teplotě 700- až 8000C . Pec pro pyrolýzu pneumatik byla konstruována tak, že zpracovávala pneumatiky z osobních aut do průměru 700 mm, které byly drceny. Cílem bylo materiálové využití odpadů, to je výroba produktů ve formě plynu, uhlovodíky schopné rafinace a využitelný koks. Obě linky pro pyrolýzu pneaumatik a odpadních plastů byly uvedeny do provozu v roce 1984. Ve dvoutýdenních turnusech byly prováděny testy na jedné lince. Vstup tvořily drcené odpady z 80-90% staré pneumatiky, jiné gumové odpady, polyetylen ap. V pozdějším demonstračním provozu byla provozní doba rozšířena na 3 týdny. Ohřev pece se realizoval vyrobeným plynem systémem hořáků. Energetický autarkní systém byl dosažen již při provozu obou pecí na 200 kg/h vstupní suroviny. Od listopadu 1984 bylo během cca 700 hod. provozu včetně najíždění a odstavování zpracováno 170 t odpadů. Vyrobený olej byl prodán sousední rafinerii. Později se pokusila DRP zpracovávat frakci plastových odpadů z KO. Z důvodu vysokého podílu PVC muselo být přidáváno vápno pro eliminaci Cl. Vznikající CaCl2 se tavil při vysoké pyrolýzní teplotě a zalepoval fluidní vrstvu, takže delší kontinuální provoz nebyl možný. Z těchto a z ekonomických důvodů bylo zařízení odstaveno. PKA-proces V případě procesu PKA se pyrolýzní plyny nespalují přímo, nýbrž se podrobují krakovacímu procesu. Zařízení bylo instalováno v Aalen v Bádensku, Freibergu (Sasko) a v Japonsku (Kawasaki) . Pyrolýzní zařízení v Aalen na zpracování SKO bylo pro insolvenci provozovatele nejdříve následně provozováno, avšak v roce 2002 odstaveno a nakonec demontováno. Zařízení na pyrolýzu průmyslových odpadů ve Freibergu bylo pro insolvenci provozovatele prodáno firmě Pyral AG, přebudováno a v současné době - 27 -

Studie zařízení na pyrolytický rozklad odpadů I. zpracovává hliníkový odpad ovšem s jinou koncepcí technologie. Zařízení v Kawasaki bylo původně provozováno podle postupu PKA a krakovaný pyrolýzní plyn se využíval pro výrobu el. proudu v plynovém motoru. Zařízení bylo v roce 2007 odstaveno z provozně ekonomických důvodů. Sama firma PKA se dostala v roce 2002 do insolvence. Proces Ebara Zatímco v Evropě došlo k postupnému odstavení řady instalovaných jednotek na pyrolýzu odpadů je situace v Japonsku do značné míry jiná a může v tomto směru sloužit jako pozitivní příklad, což je mimo jiné dáno určitými rozdíly v přístupu k využití tuhého zbytku. Proto považujeme za důležité uvést zde jako příklad japonský proces Ebara, nejčastěji aplikovaný postup pyrolýzy odpadů pro průmyslové využití. Spaliny

Odpad

Pyrolýzní reaktor

Čištění spalin

Vzduch

Cyklonová spal. komora

Granulace

Kovy

Tavený zbytek

Spalinový kotel

Pára

Demi voda

Turbogenerátor

Energie

Proces Ebara označovaný TwinRec spočívá v kombinaci dvou starších, ale dobře fungujících technologií: • fluidní vrstva s vnitřní cirkulací (v Evropě Rowitec) • tavení popílku (Meltox) Pyrolýza hrubě rozdrceného odpadu probíhá v pískovém fluidním loži při teplotě 5006000C. Těžší nespalitelné zbytky padají dolů jsou odváděny spolu s materiálem fluidního lože (písek). Po oddělení kamenů a kovů se písek vrací zpět do fluidního lože. Nízká teplota umožňuje získat šetrným způsobem kovy, s vysokým výtěžkem, přičemž nedochází k roztavení hliníku. Vyrobený nízkovýhřevný plyn proudí spolu se

- 28 -

Studie zařízení na pyrolytický rozklad odpadů I. zachyceným popílkem a částečkami koksu přes výstupní zónu reaktoru a následně je za vysokých teplot v cyklonové spalovací komoře spalován. Odstředivou silou cyklonu se oddělí roztavený popílek, který se zachytí na vnějších stěnách a padá jako tekutá struska do spodní části reaktoru a nakonec do vodního uzávěru kde dochází k jeho prudkému ochlazení a vitrifikaci. Vitrifikovaný zbytek se vytváří vždy z inertního nespalitelného podílu vstupního odpadu s výjimkou kovů, které byly odděleny v prvním stupni celého procesu to je při vlastní pyrolýze. (viz blokové schema). Horké spaliny ze spalovací komory vstupují do spalinového kotle. Vyrobená pára se využívá k výrobě energie. Ochlazené spaliny se podrobují běžnému způsobu čištění před uvolněním do atmosféry. Proces splňuje všechny emisní limity stejně jako sklovitý granulát, který odpovídá japonským požadavkům na výluhy. Na provozu v Kawaguchi dosáhli zbytek pro deponování pouze 3%.

V roce 2008 bylo v provozu šest zařízení se 16 linkami na KO a další tři zařízení se čtyřmi linkami na různé druhy odpadů, včetně zařízení specializovaného na výrobu tavené mědi. První zařízení je v provozu od roku 2000 a zpracovává téměř každý druh odpadu, které jsou na trhu.

- 29 -


Zplyňovací procesy Na rozdíl od pyrolýzy, která probíhá bez přístupu kyslíku, respektive vzduchu dochází v případě zplyňovacích procesů k reakci uhlíku v odpadech s kyslíkem, vzduchem, párou nebo jejich směsí, při teplotách mezi 5000C (fluidní postupy) a asi 15000C v případě postupů tvořících roztavenou strusku. Proces pracuje s podstechiometrickým množstvím kyslíku. Zplyňovací procesy jsou termicky soběstačné. Hlavním produktem je nízkovýhřevný syntézní plyn, který se podrobuje čištění , aby se zbavil nežádoucích škodlivin vzniklých v procesu, který je možné využít energeticky a nebo materiálově. Plazmové zplyňování Kromě postupů, které využívají pro průběh zplyňovací reakce teplo parciálním spalováním zplyňovaného odpadu existují i postupy kde dochází k destrukci v elektrickém oblouku plazmového hořáku.

Popis technologie. Technologii je možno rozdělit na tři procesy • Mechanicko biologická úprava • Výroba syntézního plynu • Výroba energie Účelem mechanicko-biologické úpravy je oddělení složek s nízkým nebo nulovým energetickým potenciálem jako železné a neželezné kovy a inertní materiál. Takto upravený SKO se zbaví části vlhkosti v sušícím zařízení a postupuje do zásobníku (bunkru). Směs z bunkru je pomocí pásových dopravníků přepravena do systému dávkování odpadů, kde pomocí speciálního prosazovacího šneku, který zároveň funguje jako těsnící mechanismus mezi mísičem odpadů a zplyňovačem, je vedena do zplyňovače – plazmového reaktoru. Směs je po vstupu do plazmového reaktoru – zplyňovače rozložena štěpením molekul organických a anorganických látek při vysoké teplotě vytvořené plazmovým hořákem, Výsledkem štěpení organických látek je surový syntézní plyn (SSP), který vychází z horní části plazmového reaktoru při malé rychlosti, ale s vysokou teplotou cca 12500C. Výsledným produktem zpracování anorganických látek obsažených v odpadu je roztavená struska, která vystupuje z dolní části plazmového reaktoru do vodního uzávěru, kde ihned podléhá vitrifikaci.

- 30 -

Studie zařízení na pyrolytický rozklad odpadů I. Surový syntézní plyn vycházející z horní části plazmového reaktoru – zplyňovače má vysokou teplotu a pro jeho další energetické využití musí být ochlazen z teploty cca 1250oC na 200oC a zbaven znečišťujících látek ve formě aerosolu nebo pevných částic. Ochlazení syn.plynu se dosahuje pomocí tepelného výměníku (kotle) plyn/voda, který využívá teplo syn. plynu, přičemž ho ochlazuje a současně se vyrábí předáním tepla plynu ve výměníku pára, která se vede do parní turbiny. Ochlazený surový syntézní plyn prochází procesem čištění, kde se postupně zbaví v tkaninovém filtru pevných částic, dále v pračkách chlorovodíku a sirovodíku. Výsledkem je syntézní plyn směs (CO a H2), který se v případě popisovaného projektu využívá pro výrobu elektrické energie spalováním na plynové turbině s využitím tepla spalin ve spalinovém kotli pro výrobu páry s jejím následným využitím v parní turbině. Syntézní plyn je možné využít i materiálově např. v procesu Fscher – Tropsch k výrobě kapalných uhlovodíků nebo metanolu.

Výroba energie Proces výroby energie je možno rozdělit na tři technologické stupně: 1. Odstranění vlhkosti a rekuperace tepla. 2. Spalovací turbína. 3. Parní výměník a parní turbina. Syntézní plyn opouštějící proces čištění je nasáván kompresorem přes kondenzátor, kde zkondenzuje voda obsažená v syn. plynu, následně je kompresorem stlačen a veden do rekuperátoru. Rekuperátor slouží ke dvěma účelům, v první řadě odstraní případnou zbývající vlhkost a jeho druhou funkcí je zvýšit teplotu syn. plynu po odstranění vlhkosti na úroveň potřebnou v dalším technologickém stupni. Vyčištěný syn.plyn zbavený vlhkosti je spalován na spalovací turbině, která bude prostřednictvím generátoru vyrábět elektrický proud. Elektrický proud je převáděn do veřejné elektrické sítě a část bude využita pro vlastní potřebu závodu. Spaliny vystupující ze spalovací turbiny s vysokou teplotou předávají teplo ve specielním výměníku/kotli demivodě. Vznikající pára je vedena na vícestupňovou parní turbinu s generátorem, který vyrábí elektrický proud dodávaný do sítě. Nízkotlaká pára odcházející z turbiny a obsahující značné množství tepla předá ve výměníku teplo vodě cirkulující v horkovodním potrubí. Následně se voda dohřeje na teplotu požadovanou v horkovodním potrubí, ve výměníku tepla (kotli), který je součástí chlazení surového syn. plynu. V období kdy se teplo nevyužívá, kondenzuje pára vystupující z turbiny v systému vzduchových chladičů a kondenzát se vrací zpět do výměníku na výrobu

- 31 -

Studie zařízení na pyrolytický rozklad odpadů I. páry. Část kondenzátu je vedena do výměníku plyn/voda v procesu chlazení plynu, kde slouží k výrobě páry, která se využívá ve druhém stupni parní turbiny. Proces Westinghouse Proces firmy Westinghouse je prakticky jediný v průmyslovém měřítku pracující zařízení s plazmovým reaktorem na zpracování SKO. V současné době jsou v provozu dva referenční závody v Japonsku na zpracování SKO a sice v Utashinai a Mihama-Mikata. V závodě Utashinai se zpracovávají komunální odpady s kapacitou 200 t/den a drcené autoodpady v množství 165 t/den. V Mihama – Mikata je kapacita 22 t SKO + 4,8 t kalů ČOV/den Proces plazmového zplyňování SKO fy. Solena Group Celý proces plazmového zplyňování směsného komnálního odpadu byl projektově připravován jako součást krajského integrovaného centra pro energetické využití SKO v Moravskoslezském kraji soukromým investorem OKD a.s. Projekt byl ve stadiu zpracované DUR a EIA, která prošla zjišťovacím řízením zastaven, z důvodu změny majitele OKD a.s. Nový majitel nechtěl v projektu pokračovat. V současné době je krajské integrované centum koncipováno s klasickou spalovnou. Podle dostupných informací nebyl v provozním měřítku realizován v Evropě žádný proces na zpracování SKO nebo frakcí z MBÚ. V Evropě v Bordeaux ve Francii pracuje jednotka plazmového zplyňování v průmyslovém měřítku na zpracování vybraných druhů nebezpečných odpadů.

3.3 Současná situace ve světě Tabulka č.3 Zařízení na pyrolýzu odpadů v SRN (v současné době v provozu) Označení Postup postupu VEW - Energie Rotační buben BKMI postup

Rotační buben nepřímý ohřev, 400-5000C

Druh odpadu Výhřevné frakce SKO

Produkty Kapacita Energie Energie

Hamm – Uentrop SRN 100 kt/rok 6 t/h 35 kt/rok Burgau, Gunzburg SRN

Z procesů uvedených v tabulce č. 2 zařízení na pyrolýzu odpadů, které byly realizovány v průmyslovém měřítku se původně jevily jako velmi perspektivní procesy Siemens – SBV a proces Thermoselect.

- 32 -

Studie zařízení na pyrolytický rozklad odpadů I. Společnost Siemens vybudovala a začala v roce 1995 v německém Furthu uvádět do provozu zařízení s kapacitou 100 kt/rok SKO. Zařízení nedosáhlo určeného provozního standardu a bylo v roce 1998 odstaveno a v roce 1999 demontováno. Společnost Thermoselect, vyvinula pokusné zařízení, které provozovala v italské Verbanii. Na základě tohoto zařízení vybudovala v německém Karlsruhe jednotku s roční kapacitou 225 kt/rok SKO. Rovněž tento projekt ztroskotal, protože se nepovedlo uvést zařízení do trvalého provozu a v roce 2004 byl provoz ukončen. V obou případech utrpěly společnosti velké finanční ztráty. Zajímavé je, že poznatky z těchto projektů využili Japonci, kteří jsou v současné době pokud se týče pyrolýzy odpadů, jak uvádíme dále, úspěšní. Tabulka č.4 Zařízení na pyrolýzu a zplyňování odpadů v Japonsku (v současné době v provozu) Označení postupu Ebara

Kobe Steel Tsukishama Kikai,

Postup

Druh odpadu

Produkty Kapacita

Dvě fluidní jednotky jedna oxidační

SKO, odpadní plasty,

Energie

Rotační buben nepřímý ohřev 5007000C dvě fluidní jednotky, jedna oxidační

Staré pneumatiky

Energie

Utashinai

Plazmové zplyňování

Mihama Mikata

Plazmové zplyňování

Odpadní plasty Energie SKO, Drcené autoodpady SKO Kaly ČOV

Energie Energie

4 t/h Yokohama, Japonsko 135 kt/rok Aomori, Japonsko 125 kt/rok Japonsko 1 t/h Kobe, Japonsko 3 x 6,25 t/h Funabashi, Japonsko 9 t/h 7 t/h Japonsko 1t/h 4,8 t/den

Ačkoliv v souvislosti s pyrolýzou odpadů byla, jak plyne z předchozího textu, vyvinuta řada postupů na jejichž základě byly vybudovány jednotky pracující v průmyslovém měřítku jsou v současné době v provozu pouze dvě zařízení v rámci EU v SRN. Výzkum a vývoj zařízení na pyrolýzu odpadů probíhal hlavně v SRN, USA a Japonsku. V těchto zemích byla také vybudována zařízení na zpracování odpadů založená výhradně na pyrolýzních, případně zplyňovacích procesech. Zatímco vývoj procesů v USA nedosáhl žádaných výsledků, byl japonský vývoj založen na rozsáhlých výzkumných a vývojových pracích, jejichž výsledkem byly spolehlivě fungující postupy. Zpočátku byly ale hospodářsky nákladné a nemohly konkurovat jiným postupům. Již několik let jsou však veškerá nová zařízení v Japonsku postavena buď na principu pyrolýzy, zplyňování nebo - 33 -

Studie zařízení na pyrolytický rozklad odpadů I. jejich kombinace. Tento vývoj je překvapující, protože termické procesy toho druhu v Evropě (Siemens, Thermoselect) a v USA (Andco-Thorax, Monsanto, Union Carbide) vesměs ztroskotaly. V mezičase fungovalo současně několik japonských procesů spolehlivě. Pyrolýzní a zplyňovací procesy se v Japonsku prosadily ze dvou zásadních důvodů: •

nové postupy pracují téměř bez dioxinů ve všech výstupních proudech (to znamená včetně dioxinů v popílku, strusce a v solích z čištění spalin)

•

inertní zbytky jsou vitrifikovány tavením do sklovité formy a mohou se používat jako druhotná surovina, tím se snižuje skládkování. Na rozdíl od evropské praxe je v Japonsku škvára nepoužitelná jako druhotná surovina.

3.4 Shrnutí Na základě v 70-tých letech provedených výzkumných a vývojových prací byla v 80-tých a 90-tých letech realizována v průmyslovém měřítku řada zařízení na pyrolýzu odpadů a provozována s rozdílným úspěchem. Všechny návrhy k materiálovému využití produkovaného koksu nebo pyrolýzního oleje pro výrobu aromatických uhlovodíků, případně destrukci plastů na využitelné monomery, však nevedly k úspěchu a v současné době pracují na komerční bázi pouze procesy produkující energii s možností využití železných či neželezných kovů. I když byly provedené podrobné ověřovací testy o možnosti produkce BTX aromátů např. na zařízení v Sazgitter (SRN), které naznačily určité technické možnosti využití pyrolýzního oleje z pyrolýzy plastů pro jejich výrobu ukázalo se, že z ekonomických důvodů s ohledem na ceny aromátů z ropy či černouhelného dehtu je to nereálné. U výše diskutovaných zařízení je vždy problémem ekonomika procesu. Dodatečné náklady na zpracování produktů pyrolýzy nepřinášejí žádný výnos. Jak ukazuje příklad pyrolýzního oleje klesly ceny na trhu v posledních dvaceti letech, takže náklady nejsou pokryty. Ale také zařízení pro nakládání s odpady střednědobě jsou pod nákladovými tlaky. Například u zařízení BKMI v Burgau jsou i provozní náklady ve srovnání se spalovnami vyšší. K tomu přistupuje trend spoluspalovat odpady v energetických zařízeních nebo v cementárnách v množství v jakém to umožňují chemické a fyzikální vlastnosti odpadu. Z technického hlediska je možné kaly z ČOV, kapalné odpady s dostatečnou homogenitou spoluspalovat s uhlím v elektrárnách. Ale odpady jako SKO, výhřevné frakce z SKO, tříděné odpady nemohou být bez další úpravy s ohledem na heterogenitu spoluspalovány. Proto je nutné tyto odpady před spoluspalováním homogenizovat. Z výše uvedených příkladů aplikace pyrolýzy pro odstranění nebo využití odpadů je možné konstatovat, že dosavadní zkušenosti prakticky vylučují materiálové využití produktů pyrolýzy SKO případně jiných druhů odpadů a to jak z technického hlediska - 34 -

Studie zařízení na pyrolytický rozklad odpadů I. s ohledem na dnešní stav technologie pyrolýzy, ale hlavně s ohledem na ekonomické podmínky diktované hlavně současnými cenami ropy, která je zdrojem srovnatelných produktů, které je možné získat pyrolýzou odpadů. Totální nebo lépe úplné zpětné získávání surovin z SKO nebo jiných odpadů je obecně problematické, což platí o to více v případě pyrolýzy a většinou koncepty totální recyklace produkovaly pouze náklady. Výše uvedené příklady vývoje nových pyrolýzních postupů ukázaly, že přístup k zpětnému získání produktů z odpadů naráží na situaci na trhu. Rozhodující jsou kvalitativní a kvantitativní důvody, protože produkty recyklace jsou trvale akceptovány trhem, pokud jejich množství a kvalita odpovídá struktuře požadované trhem, aby příjemce mohl z recyklovaných produktů vyrobit prodejné výrobky. Rovněž také náklady recyklace maří nadějné koncepce, které je pak nutné subvencovat. Při pyrolýze SKO je vznikající olej termicky nestabilní a z větší části vodorozpustný, takže musí být pouze bezprostředně po svém vzniku termicky využit, což do začné míry ztěžuje např. výrobu aromatických uhlovodíků tímto postupem. Hospodářské koncepty orientované na budoucnost spojují ekonomické a ekologické požadavky. Z uvedených důvodů jsou všechna zařízení v komerčním měřítku jak ukazují příklady z Německa a Japonska zaměřená na výrobu energie, přičemž jako vedlejší produkt je i produkce Fe-kovů, neželezných kovů a vitrifikovaného zbytku využitelného ve stavebnictví. Zajímavá je koncepce vyvinutá firmou Mannesman, to je pyrolýza SKO ve spojení s existujícími nebo nově realizovanými elektrárnami, nebo teplárnami spalujícími uhlí. Takové spojení umožňuje termické zhodnocení odpadů s následujícími výhodami. • • • • • •

Nízké investiční náklady Využití infrastruktury a strojního zařízení uhelné elektrárny Výrobu proudu s vysokou účinností Získání druhotných surovin jako Fe-kovy, neželezné kovy a inert Substituce fosilních paliv Odstranění dodatečných emisí

Vedoucí postavení ve využívání procesu pyrolýzy a zplyňování pro energetické zhodnocení odpadů patří Japonsku. Pro ilustraci je možné uvést, že zatímco v roce 2001 byla celková kapacita výroby energie z odpadu v Japonsku 1 400 MW bude očekávaná kapacita v roce 2010 již 4 170 MW. Tento národní cíl představuje 30 % z celkových nově do provozu uváděných kapacit výroby energie z odpadu a zároveň to představuje 1% veškeré primární energie v Japonsku. Popsaný postup Ebara poskytuje možnost maximálního snížení deponování, vysoký výtěžek kovů a energie s minimálním výstupem dioxinů (včetně zbytků).

- 35 -


4. Ekonomická náročnost. S ohledem na skutečnost, že v ČR není v provozu žádné zařízení na pyrolýzu, případně zplyňování odpadů v průmyslovém měřítku, v Evropě je využití procesu pyrolýzy odpadů v průmyslovém měřítku minimální a nejsou tedy k dispozici relevantní údaje, je ekonomické zhodnocení této metody ve srovnání s jinými způsoby nakládání s odpady problematické. Navíc porovnání s jinými státy EU není vždy jednoduché, protože struktura vybavenosti zařízeními pro nakládání s odpady v jednotlivých zemích je mnohdy značně rozdílná, což determinuje i ekonomickou náročnost a rovněž ekonomické podmínky, jak ukazuje současná situace, jsou nesrovnatelné. Relativně přesné posouzení ekonomické náročnosti a udržitelnosti provozu zařízení pyrolýzy odpadů v podmínkách českého tržního hospodářství v porovnání s jinými používanými technologiemi nakládání s odpady by vyžadovalo získat údaje o investičních a provozních nákladech alespoň na jednom zařízení pyrolýzy v průmyslovém měřítku. Ale i v tomto případě by bylo možné tyto údaje aplikovat pouze s jistým přiblížením, s ohledem na specifické podmínky dané země. Obecně je možné konstatovat ze zkušeností z Japonska, kde se proces pyrolýzy a zplyňování využívá masivně, že náklady jsou v případě těchto procesů vyšší než u jiných způsobů nakládání s odpady. Abychom splnili s relativně přijatelnou mírou nejistoty požadavek zadání na určení ekonomické náročnosti procesu pyrolýzy ve vztahu k jiným způsobům nakládání s odpady, využili jsme výsledky projektu VaV, který byl vypracován FITE a.s. spolu se SITA a ETConsulting v letech 2005 – 2007 pro MŽP ČR. V projektu VaV – Sl – 7 – 183 – 5 „Ověření použitelnosti metody mechanicko-biologické úpravy komunálních odpadů a stanovení omezujících podmínek z hlediska dopadů na životní prostředí“, jsou srovnávány investiční a provozní náklady na zpracování 1 t SKO na zařízení MBÚ, skládce a spalovně. V tomto srovnání je index nákladů MBÚ/skládka 2,18 a MBÚ/spalovna 1,79 přičemž investiční a provozní náklady na zpracování 1 t KO v zařízení MBÚ byly vyčísleny na 2 059 Kč pro rok 2007. Hodnota vypočtená pro skládkování 2059/2,18 = 945 Kč. Stejným způsobem vypočtené náklady na 1 t KO ve spalovně činí 1150 Kč. Jestliže v Japonsku jsou náklady na pyrolýzu o 100 EUR vyšší než u spaloven představuje to zvýšení o cca 2600 Kč celkem tedy 3750 Kč, což je více než trojnásobek. Je zřejmé, že zvýšení nákladů na pyrolýzu v Japonsku nelze s ohledem na řadu faktorů mechanicky převádět na naše podmínky, přesto tento údaj dává určitou představu o poměru nákladů pyrolýzy nebo zplyňování v porovnání s jinými způsoby nakládání s KO.

- 36 -


Ekonomika Pro příklad je uveden výpočet ekonomické návratnosti zařízení pro pyrolytické zpracování surovin při různých výkupních cenách elektrické energie. Ekonomické porovnáni zařízení pro pyrolytické zpracování surovin je analyticky vypočteno pro investici zpracovávající na vstupu 0,5t, 1t, 2t a 3t materiálu za hodinu. Výpočet je zpracován v nejhorší ekonomické variantě, tj. nákup surovin na vstupu za 0,Kč, na výstupu počítáme pouze s 50% výtěžnosti za prodej el. energie. El. energie je kalkulováno v nejhorším možném výkupním pásmu tj. 0,86 Kč/kWh. V tomto ekonomickém modelu zcela pomíjíme využití tepelné energie na výstupu, která je pro účely tohoto výpočtu zcela mařena. Na základě těchto skutečností nám vychází diagram tržeb a investiční návratnosti, který je z ekonomického pohledu na mezní hodnotě investorské návratnosti energetických zdrojů. V praxi je zřejmé, že investor se bude rozhodovat o nasazení zařízení pro pyrolytické zpracování surovin za podmínek lepšího zhodnocení výstupních surovin. Zde je možné zlepšit ekonomiku při využití odběru tepla až o 50%, což nám výrazně mění ekonomickou bilanci tržeb cca + 50% a a investiční návratnosti se zkrátí na polovinu proti základnímu výpočtu. Při ekonomické návratnosti cca 8 let lze s daným modem pracovat jako standartním malým energetickým zdrojem, který lze zařadit do energetické sítě ČEPS. Vzhledem k rozdílné situaci zpracováni odpadů na jednotlivých úrovních obcí, měst a krajů lze dále uvažovat s možnosti odběru daného odpadu za úplatu. Předpokládaný finanční model lze ovšem zpracovat pouze za aktivní účasti krajů.

- 37 -

Studie zařízení na pyrolytický rozklad odpadů I. Náklady na pyrolýzní jednotku bez drtící linky (tis. Kč): Vstpní surovina (zpracování vstupní suroviny v t/hod.) Pořizovací náklady (bez DPH) v tis. Kč Provozní náklady za rok celkem v tis. Kč z toho: - mzdové náklady - služby - údržba Výstup KWh/hod Tržby při 7000 Nhod - výkup 0,86 Kč/kWh (24hod odběr) Tržby při 7000 Nhod - teplo Tržby za odběr odpadů .. Návratnost v letech

0,5 70 000 2 820 2 400 120 300 500 3 010 000 0 0 23

1 126 000 3 156 2 400 216 540

2 224 000 3 930 2 880 300 750

3 315 000 6 420 4 320 600 1 500

1000 2000 3000 6 020 000 12 040 000 18 060 000 0 0 0 0 0 0 21 19 17

Porovnáni výkup skládkovy bioplyn 3 Kč/kWh .. Návratnost při srovnatelné investici

10 500 000 21 000 000 42 000 000 63 000 000 6,67 6,00 5,33 5,00

Porovnáni výkup energie vyrobená z větru 6 Kč/kWh .. Návratnost při srovnatelné investici

21 000 000 42 000 000 84 000 000 126 000 000 3,33 3,00 2,67 2,50

Porovnáni výkup fotovoltaika 12 Kč/kWh .. Návratnost při srovnatelné investici

42 000 000 84 000 000 168 000 000 252 000 000 1,67 1,50 1,33 1,25

300 000 000 250 000 000 Tržby ve výkupních cenách u pyrolýzy

200 000 000 150 000 000

Tržby ve výkupních cenách za bioplyn

100 000 000

Tržby ve výkupních cenách za větrnou energii

50 000 000

Tržby ve výkupních cenách za fotovoltaiku

0 0,5

1

2

3

Graf tržeb dle druhu výkupních cen (v Kč) v závislosti na výkonu (v t/hod.)

- 38 -


25 20

Výkupní ceny - Pyrolýza

15

Výkupní ceny - Bioplyn

10

Výkupní ceny - Větrné elektrárny Výkupní ceny Fotovoltaika

5 0 0,5

1

2

3

Graf návratnosti (v letech) v závislosti na výši výkupních cen (Kč/kWh)

- 39 -


Porovnání pyrolýza versus spalovny Předpokládané výhody • • • • • • •

Výroba skladovatelných paliv (koks, olej) nebo hodnotných produktů (vodík, syntézní plyn) Významné snížení množství čištěného plynu proti spalovnám Minimalizace skládkovaných odpadů Možné materiálové zhodnocení výhřevných odpadů jako plasty, pneumatiky, odpadní olej Zpětné získávání neoxidovaných kovů a netaveného skla ze zbytku Nižší provozní náklady Použitelnost pro menší jednotky

Dosažené výhody ( zařízení v Japonsku) • • • • • •

Významné snížení množství čištěného plynu proti spalovnám Zpětné získání neoxidovaných kovů Získání vitrifikovaného inertu využitelného jako kvalitní stavební materiál Použitelnost pro menší jednotky Minimalizace skládkovaných odpadů Dosažení extrémně nízkých hodnot dioxinů ve spalinách, vitrifikovaném zbytku, včetně zbytků z čištění spalin

Nevýhody • Vyšší provozní náklady • Vyšší investiční náklady • Menší celková produkce energie .

- 40 -


5. Zhodnocení technologie pyrolýzy z pohledu možnosti a vhodnosti poskytnutí podpory z oblasti podpory 4.1 OPŽP. Pro zhodnocení zda proces pyrolýzy je vhodný pro poskytnutí podpory z OPŽP 4.1 je rozhodující vývoj aplikací této technologie v průmyslovém měřítku v Evropě. Z výše uvedených skutečností je zřejmé, že nadějné procesy, do kterých se vkládaly v Německu velké naděje ( Siemens – SBV, Thermoselect apod.) ztroskotaly. Důvody těchto neúspěchů nebyly způsobeny pouze vysokými ekonomickými náklady, ale byly také na straně technických problémů. V případě procesu Thermoselect to byly provozní problémy z hlediska prosazení odpadů, nedosažení úrovně čištění pyrolýzního plynu. V případě procesu Siemens-SBV to byla slabá místa zařízení jako dávkovací systém a ohřev rotační pece, úprava plynu, případně další nedostatky. Proces PAK, který byl aplikován ve dvou případech v Německu byl rovněž neúspěšný. Ze zařízení vybudovaných v průmyslovém měřítku v Německu v současné době pracuje pouze jednotka BKMI na pyrolýzu SKO v Burgau (Bavorsko) a pyrolýzní jednotka v Hamm-Uentrop, která ovšem není autonomní, ale je součástí elektrárny, kde se produkty pyrolýzy spoluspalují s uhlím. Porovnání situace v 90-tých letech pokud se týče celkové kapacity pyrolýzních zařízení v SRN se současným stavem kapacit je problematické, protože nejsou známy údaje o celkových kapacitách v SRN v jednotlivých letech. Pokud vezmeme zařízení SiemensSBV s kapacitou 100 kt/rok a Thermoselect s předpokládanou kapacitou 225 kt/rok pak spolu s dosud provozovanými kapacitami v Burgau 35 kt/rok a Hamm-Uentrop 100 kt/rok byla kapacita zařízení v SRN celkem 460 kt/rok, takže v současné době je v provozu 30% této kapacity. Mezi lety cca 1995-2005 došlo k odstavování zařízení na pyrolýzu odpadů v Evropě a nová nebyla budována. Úplně jiná situace jak bylo dříve zmíněno je v Japonsku, kde klesá kapacita stávajících spaloven a je postupně nahrazována velkokapacitními průmyslovými jednotkami s aplikací pyrolýzy a zplyňování. Jak ukazuje graf klesala kapacita spaloven a v roce 2001 již byla celková kapacita jednotek na pyrolýzu odpadů vyšší.

- 41 -


Jak v případě Evropy, tak i v případě Japonska, se však ukazuje, že konečným produktem pyrolýzy, případně zplyňování odpadů je vždy energie s případnou produkcí kovů, nebo taveného inertu jako vedlejšího produktu. Pokusy materiálového využití pyrolýzy např. pro výrobu aromátů z pyrolýzního oleje se ukázaly s ohledem na možnou aplikaci jako technicky obtížně proveditelné a ekonomicky neprůchodné z důvodů cen těchto výrobků z ropy či dehtu. Rovněž tak možnost využití syntézního plynu ze zplyňování pro syntézu kapalných paliv případně pro výrobu vodíku se doposud neujala ani v Japonsku. Situace v Japonsku ukazuje, na příkladu uvedeného procesu Ebara, že postupy pyrolýzy a zplyňování odpadů mohou zajistit maximální snížení skládkování, vysoký výtěžek kovů s minimálními výstupy dioxinů (včetně dioxinů ve zbytku), stejně jako spolehlivý a bezporuchový provoz. Kapacita výše zmíněných průmyslových zařízení na pyrolýzu odpadů se pohybuje mezi cca 30 – 100 kt/rok, což podmiňuje jejich aplikaci v případě SKO pouze pro velká města Příklad Japonska rovněž ukazuje, že prostředky vložené do výzkumu a vývoje pyrolýzních jednotek mohou vést k úspěchu. Na druhé straně je však třeba zdůraznit, že očekávané investiční a provozní náklady v případě pyrolýzy a zplyňování jsou o 100 – 150 EUR na tunu zpracovaného odpadu vyšší ( v závislosti na kapacitě zařízení) než v případě spaloven. Rovněž je třeba vzít v úvahu skutečnost, že SKO po separaci má v Japonsku odlišné složení, s ohledem na úroveň separace, než v ČR, což může být významné z pohledu technických možností pyrolýzních a zplyňovacích procesů aplikovaných v průmyslovém měřítku v Japonsku. Není ovšem vyloučeno, že za určitých předpokladů, by bylo možné uvažovat s vybudováním ověřené japonské technologie v ČR, pokud by byl zájem soukromého investora, jako to bylo v případě zájmu OKD a.s. vybudovat jednotku plazmového - 42 -

Studie zařízení na pyrolytický rozklad odpadů I. zplyňování SKO v Karviné. To je samozřejmě jiná otázka, kterou nelze bez znalosti konkrétní situace s OPŽP spojovat.

6. Závěr Budeme-li vycházet ze současné situace v Evropě, kdy pro zpracování odpadů speciálně SKO se budují stále nové nebo rekonstruují stávající spalovny (Rakousko, Francie, SRN) a jejich celková kapacita narůstá, je s ohledem na zkušenosti spojené s provozem pyrolýzních zařízení hlavně v SRN, jejich postupným odstavováním a vyššími pořizovacími náklady problematické uvažovat s budováním velkokapacitních zařízení v souvislosti s plněním úkolu snížování množství skládkovaného SKO, respektive jeho složky BRKO. Toto je možné v krátkém čase zajistit podle našeho názoru jedině výstavbou provozně v Evropě ověřených spaloven. Podstatně vyšší náklady na investice a provoz zařízení pyrolýzy odpadů jsou limitujícím faktorem v úvahách o aplikaci pyrolýzy či zplyňování versus spalování v masivním měřítku a navíc v krátkém čase, pro země jako je Česká republika. Při současné legislativě, kdy spalovny plně vyhovují limitním požadavkům směrnice 2000/76/EC to je, zvláště v případě nakládání s SKO ekonomicky obtížně zdůvodnitelné. Na druhou stranu, je ale podle našeho názoru správné, podporovat vývoj zařízení na pyrolýzu odpadů a v tom je příklad Japonska inspirující, zvláště s ohledem na očekávané přísnější legislativní požadavky na zbytky ze spalování, z hlediska jejich možného materiálového využití. V tomto směru je pilotní pyrolýzní zařízení Pyromatic na VŠB – TU Ostrava průkopnickým krokem ve vývoji pyrolýzy odpadů v podmínkách ČR. Toto zařízení je ovšem koncipováno s ohledem na jeho konstrukční řešení pro vytříděné druhy odpadů (např, plasty, pryž, textil) a jeho průmyslové aplikace mohou být využity v obcích s třídičkami vyseparovaných odpadů jako koncové zařízení na energetické využití odpadů s kapacitou 5 – 10 kt/rok. Práce na vývoji pyrolýzních zařízení představují přiblížení ČR k budoucímu vývoji nakládání s odpady a v tom vidíme možnosti podpory z oblasti 4.1 OPŽP. Podrobně jsou pilotní zařízení Pyromatic VŠB – TU Ostrava a doposud získané výsledky z jeho provozu, včetně přípravy komerčního zařízení popsány v druhé části studie.

- 43 -


- 44 -


7. Použité podklady [1]

Pyrolyse: Eine Technologie für das 21. Jahrhundert, Dr.-Ing. Gerd-Peter Bracker 2000 str. 12 –13

[2]

Substantielle Charakterisierung von Produkten einer Abfallpyrolyseanlage Von der Gemeinsamen Naturwissenschaftlichen Fakultät der Technischen Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig zur Erlangung des Grades eines Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.) genehmigte D i s s e r t a t i o n von Reiner Rosemann aus Braunschweig 1998 str. 9 - 15 A Total System Optimization Study of Waste Pyrolysis and Gasification Process for Electric Power Generation 1 The Institute of Applied Energy, 14-2 Nishishinbashi 1-chome, Minatoku, Tokyo,105-0003, Japan, Satoshi Atoji,Naoto Asami, and Kiichiro Ogawa, Mizuhiko Tanaka, and Masaki Tajima, 2 New Energy and Industrial Technology Development Organization, Muza, Kawaasaki /Central Tower 18F,1310 Omiyacho,Saiwai-ku, Kawasaki, Kanagawa, 212-8554, Japan, *E-mail��[email protected], 2003 str. 741, 742.

[3]

[4]

Das Siemens Schwel-Brenn-Verfahren Forschungszentrum Karlsruhe Technik und Umwelt, FZKA 5826, U. Richers, B. Bergfeldt Institut für Technische Chemie 1996 str. 31, 32, 39.

[5]

IFSA 2005 Pyrolysis and Gasification of Solid Waste in Fluidized Bed Reactors Umberto Arena, Maria Laura Mastellone Dep. of Envir. Sciences – University Neapol 2005

[ 6 ] Thermische Abfallbehandlung – Schmelzverfahren Erfahrungen in Japan Prof. Dr.- Ing. Dr.h.c. Bernd Bilitewski, Prof.Dr.- Ing. Arnd.I. Urban, Prof. Dr.- Ing. Martin Faulstich, Universitat Kassel 2008 str. 189-191

- 45 -

Studie zařízení na pyrolytický rozklad odpadů I. Evropská unie Spolufinancováno z Prioritní osy 8 – Technická pomoc financována z fondu soudržnosti Ministerstvo životního prostředí Státní fond životního prostředí České republiky www.opzp.cz Zelená linka 800 260 500 [email protected]

- 46 -

Ostrava - Mar

Recommend Documents