X ENERGETICKÉ HODNOCENÍ ZPRACOVÁNÍ ODPADNÍCH LÁTEK VE ZPRACOVATELSKÝCH TECHNOLOGIÍCH SUAS Jan Zborník ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI Fakulta elektrotechnická Katedra elektroenergetiky a ekologie 1. Úvod Evropa ročně vyprodukuje asi 1,8 mil. tun odpadu, a z toho je pouze třetina recyklována. Většina odpadu pochází z domácností, komerčních aktivit, průmyslu, zemědělství, stavebnictví, těţebního průmyslu a výroby elektrické energie. Existují značné rozdíly v mnoţství a ve sloţení odpadů v jednotlivých zemích. Kaţdá domácnost v Evropské unii průměrně vyprodukuje 500 kg odpadů na obyvatele za rok. V ČR připadá na obyvatele jen 300 kg odpadů za rok. Během posledního desetiletí mnoţství produkovaného odpadu rostlo rychleji neţ hrubý domácí produkt, nicméně v posledních letech se rychlost nárůstu sniţuje. Aktuální zkušenosti z posledních deseti let přinášejí nové priority pro budoucí organizační a technologické systémy odpadového hospodářství. Je nutné zachovat trend minimalizace produkce odpadů a musí být také upřednostněno opětovné vyuţití odpadů a jejich recyklace. Skládkování je dosud nejčastější metodou odstraňování odpadů u nás i v Evropské unii, a to zejména z ekonomických důvodů. V tomto příspěvku bych chtěl představit moderní metodu energetického vyuţívání odpadů jako alternativních paliv a ukázat, ţe i tento způsob můţe být ekonomicky výhodný. Ve sloţení odpadů začínají převaţovat vysoce výhřevné materiály (hlavně z obalů), a proto je jejich energetické vyuţití skutečně reálné. K efektivnímu vyuţití je potřebné dosáhnout vyváţené bilance mezi materiálovým a energetickým vyuţitím odpadů. Odpady, které se nedají recyklovat nebo po přepracování znovu pouţít, je nejvýhodnější zpracovat termickou metodou. Výběrem vhodné termické metody je moţné nebezpečné látky, které odpad obsahuje, přeměnit na relativně bezpečné produkty. 1.1. Elektrárna Vřesová Energetické hodnocení bylo prováděno pro zpracovatelské technologie elektrárny Vřesová, proto bude v příspěvku popisována pouze technologie spoluzplyňování alternativních paliv společně s hnědým uhlím. Vzhledem k technologickým moţnostem SUAS je zplyňovací proces ideální variantou, pro energetické vyuţiti odpadů jako alternativního paliva v jiţ existujících technologiích. Základní předpoklady tedy jsou: moţnost vyuţití stávajících zplyňovacích generátorů, moţnost vyuţití jiţ existujících technologických dopravních cest a dávkování do jednotlivých generátorů,
silně redukční atmosféra a dostatečná teplota umoţňující destrukci látek na bázi PCDF/PCDD, návaznost procesu výroby plynu na další jiţ vybudované stupně, tj. odsíření (Rectizol), a v konečné fázi spalování v hořácích PPZ, moţnost zavedení externích kapalných produktů do procesu zplyňování ve štěpicím reaktoru, ve štěpicím reaktoru zpracování kapalných látek vznikajících v procesu zplyňování a dodatečné vyuţití sloţek, které přešly v procesu zplyňování uhlí do kapalné fáze. Paroplynová elektrárna Vřesová je tvořena dvěma identickými bloky, které jsou sloţeny z plynové turbíny, spalinového kotle, parní turbíny, zařízení pro vyvedení elektrického výkonu, řídicího systému bloku, pomocných a společných zařízení. Výkon spalovacích turbín Výkon parních turbín Celkový výkon PPC Vřesová Minimální výkon bloku Minimální trvalý výkon plynové turbíny Maximální dodávka elektřiny
aţ 309 MWe ve špičkách aţ 114 MWe ve špičkách aţ 398 MWe ( dle teploty vzduchu ) 75 MWe 5 MWe 275O MWh / rok
Termodynamická účinnost plynové turbíny je 34,8 %, účinnost bloku při kondenzačním provozu parní turbíny je 50,5 % a účinnost s vyuţitím tepla spalin pro před ohřev síťové vody činí 54,5 %. 2. Princip zplyňování Hnědé uhlí se po rozdrcení předsouší a třídí. Po roztřídění se jemná frakce (podsítné) spaluje v klasické teplárně, hrubá frakce o zrnitosti 5-40 mm tvoří vsázku pro tlakovou plynárnu. Na obr. č. 5 je znázorněno blokové schéma propojených technologií elektrárny Vřesová. Uhlí je při tlaku 2,7 MPa zplyňováno kyslíkoparní směsí v generátorech se sesuvným loţem typu Lurgi. Zplyňování probíhá v několika pásmech při protiproudém uspořádání. Zplyňujícím médiem je volný nebo vázaný kyslík, případně směs těchto látek. Prvním pásmem, z pohledu zplyňovacího média, je popelová, několik decimetrů vysoká vrstva, ve které je zplyňující plynné médium předehříváno teplem popela a rovnoměrně rozdělováno po celém průřezu generátoru. V následujícím oxidačním pásmu probíhá silně exotermní reakce uhlíku s kyslíkem za vzniku převáţně oxidu uhličitého. Vznikající teplo je vyuţíváno k chodu celé řady zplyňovacích reakcí probíhajících v dalších pásmech reaktoru. Proud plynů vystupujících z oxidační zóny je bohatý na oxid uhličitý a vodní páru. Plyny vstupují do redukční zóny, kde probíhá převáţná část heterogenních reakcí uhlíku za vzniku zejména CO, H2 a CH4 a homogenních reakcí CO a CO2 s H2 a vodní páry. Poslední dvě pásma ve směru proudění získávaného plynu jsou karbonizační a sušicí. V karbonizačním pásmu vzniká z organického podílu uhelné hmoty primárně dehet, který je ve formě sekundárního dehtu zachycován spolu se surovou fenolovou vodou v navazujících chladicích a
kondenzačních zařízeních. V sušicím pásmu generátoru dochází k oddělení vody ze zplyňovaného uhlí před jeho vstupem do karbonizačního pásma.[3] Vyrobený surový plyn se skládá z hořlavých sloţek, vodíku, metanu a oxidu uhelnatého, ze sirovodíku, sirouhlíku, amoniaku, benzinů, dehtů, fenolů. Poslední skupinu tvoří látky korozivní, jedovaté a jinak škodlivé, které jsou odstraňovány v čisticích technologiích. Po primárním ochlazení zkondenzují vodní a dehtovité podíly. Získané dehty jsou vyuţívány z části externě jako palivo v nové technologii hořákovém generátoru. Surový plyn je čistěn selektivní vypírkou, podchlazeným metanolem v zařízení Rectizol. Z plynu jsou odstraněny benziny, sirovodík, některé organické sloučeniny a také zbytek popelovin, které by mohly působit abrazivně. Alternativní palivo max 10%
uhlí
5 – 40mm
uhelný bunkr
uhelná vpusť
surový plyn
kap. látky
vodní pára
kyslík
popelová výpusť
1 – uhelný bunkr 2 – svodky se šoupátky 3 – nástřik TDK 4 – odsávání UV 5 – HKU (horní kuželový uzávěr UV) 6 – UV (uhelná vpust) 7 – DKU vpusti 8 – sběrný kotlík plášťové páry 9 – „vlastní“ pára 10 – nástřik SFV do SP a PCH 11 – hrdlo surového plynu-SP 12 – předchladič 13 – vodní plášť generátor 14 – retorta 15 – sušicí pásmo 16 – karbonizační pásmo 17 – redukční pásmo 18 – oxidační pásmo 19 – popelové pásmo 20 – sestava otočného roštu 21 – pohon roštu 22 – variátor pohonu roštu 23 – napájecí voda pláště 24 – „cizí“ zplyňovací pára 25 – zplyňovací kyslík 26 – výstup SP z PCH 28 – Horní uzávěr výpusti popela 29 – PV (popelová výpust) 30 – DKP 31 – svodky do plavícího popelového kanálu
Obrázek 1: Generátor Lurgi pro tlakové zplyňování kyslíkoparní směsí v sesuvném loži
Vyčistěný energoplyn je základním palivem pro paroplynovou elektrárnu. Protoţe je vyrobený plyn pouţit jako základní palivo pro plynovou turbínu, je v něm ponechána většina oxidu uhličitého, který koná mechanickou práci v plynové turbíně. Jeho obsah působí příznivě na tvorbu oxidů dusíku při spalování v plynové turbíně.
Doplňkovým palivem je zemní plyn, který umoţňuje rychlé změny výkonů bloku a je také palivem záloţním. Do elektrárny je přiváděn odbočkou z tranzitního plynovodu. Obě paliva jsou spalována ve spalovacích komorách plynové turbíny. Vzduch pro spalování a pro chlazení průtočné části turbíny je dodáván turbokompresorem, který je umístěn na jedné hřídeli s turbínou. Pro sníţení tvorby oxidu dusíku při spalování plynu je pouţito nástřiku vodní páry do spalovacích prostor turbíny. Spaliny o teplotě přibliţně 1100°C vstupují do plynové turbíny, která pohání generátor. Na výstupu z turbíny mají spaliny teplotu cca 540°C a jsou vedeny do kotle na odpadní teplo, který opouštějí při teplotě cca 100°C. Z dusíkatých látek, které jsou obsaţeny v uhlí, vzniká v procesu tlakového zplynění především amoniak, který se odstraní v čisticích procesech. Plynné palivo neobsahuje dusíkaté sloučeniny. Oxidy dusíku vznikají pouze oxidací vzdušného dusíku. Spaliny vypuštěné z kotle plně vyhovují všem normám pro ochranu ovzduší
2.1. Hořákový generátor V hlavní technologii tlakového zplynění uhlí vznikají vedlejší kapalné produkty, které jsou surovinou pro nový hořákový generátor (obr. č. 2). Hlavní surovinou je generátorový dehet, který se smísí se zbylými kapalnými látkami, jakými jsou surový benzin a organické látky z procesu odčpavkování. O2 + pára
Palivo
Vodou chlazená stěna
Reactor
Vodou hašená komora
Obrázek 2: Hořákový generátor
Zplyňované látky jsou přiváděny do reakčního prostoru paralelně s kyslíkem a vodní parou. V reaktoru dochází při reakci média s kyslíkem a vodní parou k jeho rozštěpení. Nejprve probíhá vlivem vysoké teploty pyrolýza. Kterou je za daných teplot (u ústí hořáku nad 2000 °C) je dramaticky zkracován uhlovodíkový řetězec. Produkty pyrolyzních a parciálních oxidačních reakcí jsou CH4, C(s), CO a H2. Zároveň probíhají spalovací reakce, jejichţ produktem je CO2 a H2O. Oxidace vázaným kyslíkem probíhá za vzniku CO, CO2 a H2. Přítomnost vodíku
v oblastech dále od hořáku, tedy jiţ s kyslíkovým deficitem, vede při teplotách v reaktoru k redukčním reakcím, které probíhají za daných podmínek simultánně. Výsledně vzniká plyn obsahující především H2, CO a CO2. V podstatě se jedná o obdobu syntézního plynu, v němţ se nevyskytují téměř ţádné vyšší uhlovodíky a rovněţ obsah CH4 se blíţí nule. Horký surový plyn opouští reaktor přes těleso výpusti strusky a vstupuje do chladiče, který tvoří s reaktorem jeden konstrukční celek. Po vypírce a ochlazení odchází plyn do chladicího a kondenzačního zařízení, které je jiţ společné pro novou i stávající technologii. Mísí se zde s plynem, který vystupuje z generátorů Lurgi. [2] 3. Podmínky spoluzplyňování odpadů v technologii tlakového zplyňování uhlí Pro energetické vyuţití odpadů jsou důleţitým kritériem jeho fyzikálně mechanické vlastnosti a jeho chemické sloţení. Přídavné materiály nesmí v průtoku jednotlivými pásmy zplyňovacího reaktoru vytvářet prach vynášený plynnou fází ani nesmí způsobovat zpékání paliva v sušicí a karbonizační zóně viz obr. 1. Vzniklá směs polokoksu z uhlí a pyrolýzního produktu z odpadu musí být rozrušitelná vlastní hmotností násypu paliva bez potřeby mechanického rozdruţování. Z důvodů zajištění nezbytné provozní spolehlivosti a bezpečnosti je potřeba spoluzplyňované materiály opatrně vybírat, testovat a vyţadovat plnění podmínek: Hmotnostní podíl alternativního paliva ve vsázce je do 10%. Koprocesovaný materiál musí být smísen se vsázkou nejpozději do okamţiku vstupu paliva do zásobních bunkrů. Přidávané alternativní palivo musí mít fyzikálně mechanické vlastnosti stejné, nebo lepší neţ uhlí a nesmí v průtoku mezi jednotlivými pásmy zplyňovacího reaktoru vytvářet prach. Ze zpracování je důleţité vyloučit takové látky, které by v průběhu skladování byly nositelem obtíţně odstranitelného zápachu a moţných hygienických rizik. Měrný obsah dusíku i síry musí být takový, aby výrazně nezvýšil obsahy amoniaku a sirovodíku v surovém plynu. Vyloučit ze zařízení jednodruhové odpady z halogenovaných plastů s obsahem rtuti a příměsí skla a odpady, které produkují významná mnoţství dehtu těţšího neţ voda. Vytříděný komunální a průmyslový odpad není vhodný pro přímé zpracování v termických zařízeních SUAS a nelze jej vyuţít jako palivo dle vyhlášky č. 13/2009. Řešením pro vyuţití odpadů jako paliva je jeho technologická úprava. Palivo vzniká aglomerací, lisováním nebo protlačováním z připravené vytříděné a rozdrcené směsi odpadních látek. Aglomerací se rozumí spojování jedné nebo více látek v látku se změněnými vlastnostmi, kterých se dosahuje dodáním mechanické, termické či chemické energie. Pro výrobu alternativního paliva je vyuţívána jako nejvýhodnější aglomerační metoda peletizace a briketování. Druhy odpadů, které lze po úpravě zpracovat v technologiích SUAS a.s.: směsné komunální odpady (SKO), odpady převáţně z domácností, odpady z průmyslové výroby určené na výrobu čistých paliv, objemné komunální odpady, vhodné pro výrobu paliva z odpadů, které lze zařadit mezi tzv. „čistá paliva“ vhodná pro následnou certifikaci.
Dávkování alternativního paliva Alternativním palivem se rozumí palivo, které je schopno nahradit uhlí. Alternativní palivo je do stávající zauhlovací trasy přidáváno do 10% hmotnosti uhlí. Pelety jsou dávkovány v reţimu master / slave. Uhlí je hlavní komoditou a po průchodu pásovou váhou bude dovaţováno do poţadovaného poměru alternativní palivo. Předpokladem tohoto provozu je kontinuální doprava uhlí a alternativního paliva.
Obrázek 3 Alternativní palivo a sklad
4. Výpočet energetického přínosu zpracovávání odpadu v technologiích zplynění uhlí Roční spotřeba hnědého uhlí v paroplynovém zařízení elektrárny Vřesová je 1 637 292 t při průměrné výhřevnosti 13,5 MJ/kg. Při zplyňování uhlí je aţ do 10 % obsahu vsázky přidáváno palivo z odpadu. Pro výpočet energetického přínosu zpracovávaného odpadu a roční úspory uhlí uvaţuji o dvou moţných alternativních palivech, která se mohou do vsázky přimíchávat. Ve výpočtu jsou paliva od sebe odlišena písmeny A a B. Mnoţství paliva A uvaţuji 70 000 t ročně a paliva B 30 000 t ročně. Obě paliva si jsou rovnocenná, mají potřebné mechanické a chemické vlastnosti pro zplyňování, liší se výhřevností, sloţením a kaţdé je od jiného výrobce. Na obrázku č. 4 je orientačně znázorněno sloţení vsázky paliva pro zplynění.
Obrázek 4: Složení vsázky paliva Tabulka 1: Výchozí hodnoty
Roční spotřeba uhlí v PPZ
1637292 t/rok
Průměrná cena elektřiny
1356 Kč/MWh
Průměrná výhřevnost uhlí
13,50 MJ/kg
Investiční náklady
35 224 tis. Kč
Cena uhlí vnitropodniková
285 Kč/t
Životnost
20let
Proměnná cena uhlí
78 Kč/t
Celkové provozní náklady
5 824 tis. Kč / 20 let
Fixní cena uhlí
207 Kč/t
Tabulka 2: Informace o alternativních palivech
Roční spotřeba paliva z odpadů Výhřevnost alternativních paliv Procento uhlíku jako biomasa Cena alternativních paliv
Palivo A
70000 t/rok
Palivo B
30000 t/rok
Palivo A
25,4 MJ / kg
Palivo B
18,2 MJ / kg
Palivo A
0%
Palivo B
12,80%
-300 Kč/t
Zdroj dat: [2]
4.1. Výpočet úspory uhlí Pro výpočet roční úspory uhlí nejdříve vypočítám celkové teplo , které vznikne zplyněním samotného uhlí. Následně spočítám teplo vzniklé z paliva A a B. Od tepla z uhlí odečtu teplo alternativního paliva a získám potřebné teplo z uhlí, z něhoţ spočítám spotřebu uhlí a následným odečtením hmotností dostanu roční úsporu uhlí. Spotřeba uhlí
Úspora uhlí při spoluzplyňování s palivem A a B je 172 148,1 t/rok V grafu č. 1 je znázorněna celková roční úspora uhlí. K celkové roční spotřebě uhlí v PPZ je úspora cca .
Graf 1: Roční úspora a spotřeby uhlí
4.2. Úspora palivových nákladů Varianta 1 V této variantě úspory paliv jsem počítal s náklady na uhlí , coţ je plná vnitropodniková cena. Cena alternativního paliva je záporná, protoţe odběratel dostává od původců odpadu zaplaceno. Nejdříve je nutné vypočítat náklady pouze na uhlí bez uvaţování AP, náklady na alternativní palivo a náklady na skutečně zplyněné uhlí. Z těchto nákladů se vypo-
čítají celkové náklady, které se odečtou od nákladů na uhlí. Úspora nákladů, kterou jsem vypočítal, by nastala pouze v případě, ţe by se uspořené uhlí prodalo straně poptávky. (1) V grafu č. 2 jsou znázorněny v prvním sloupci finanční náklady pouze na samotné uhlí, při jeho samotném spalování a v druhém sloupci jsou zobrazeny náklady na uhlí a alternativní palivo A a B a červenou barvou jsou odlišeny finanční úspory, které činí cca . Úspora 79 mil. Kč
Graf 2: Náklady a úspora
Varianta 2 V této variantě jsem udělal propočet se zachováním fixních nákladů. Nejprve bylo nutné rozdělit náklady na uhlí, a to na náklady na uspořené uhlí a na náklady na zplyněné uhlí viz (1). Vzhledem k malé úspoře uhlí, oproti celkové těţbě, dojde k úspoře pouze proměnných nákladů (obr. č. 5). Zde je to pouze náklad na elektřinu potřebnou pro těţbu, dopravu a úpravu uhlí. Zanedbán je vliv změny výroby elektřiny, ovlivněný změnou mnoţství páry z odběru turbín, která by byla pouţita pro sušení uhlí. Dále je nutné vypočítat záporné náklady na alternativní palivo a připočíst k nákladům na uhlí viz (3). Celkové náklady na uhlí rozdělené na náklady na uspořené uhlí a náklady na zplyněné uhlí
N uhliV 2
N uspouhli
N zplynuhli
(2)
Celkové náklady (3) Úspora palivových nákladů oproti zplyňování pouze uhlí (4) V případě uvaţování fixních nákladů na uspořené uhlí činí úspora cca . Uspořené náklady pouze na uhlí jsou zobrazeny na obr. č. 5 a činí 13 mil. Kč ročně. S uvaţováním záporných nákladů na alternativní palivo jsou úspory palivových nákladů i v této variantě poměrně vysoké.
Náklady [Kč]
Spotřebované uhlí
Uspořené uhlí
285Kč
proměnné = 78Kč
Náklady na vytěžené uhlí Cena 285 Kč / t 417 565 998 Kč fixní = 207Kč
Uspořené náklady 78 Kč / t 13 mil. Kč Fixní náklady na uspořené uhlí
Cena 207 Kč / t 35 634 356,7 Kč 172 148 t
1 465 143 t 1 637 292 t
Množství [t]
Obrázek 5: Zobrazení fixních a proměnných nákladů
4.3. Výpočet emisí Tabulka 3: Výchozí a vypočítané hodnoty
mnoţství [t] Roční spotřeba uhlí v PPZ 1 637 292,0
výhřevnost [MJ/kg] 13,35
emisní f. EF [t CO2/TJ] 95,13
oxidační f. OF [-] 0,964
alternativní palivo 1
70 000,0
25,40
62,53
0,982
alternativní palivo 2 Spotřebované uhlí v PPZ s uvaţováním AP
30 000,0
18,20
90,05
0,925
1 465 143,9
13,35
95,13
0,964
Zdroj dat: [2]
Stanovení obsahu uhlíku v palivu a přepočet na Obsah uhlíku → Základem pro výpočet emisí je stanovení obsahu uhlíku, který přejde do CO2. Stanovení emisního faktoru (5) Stanovení emisí
(zvlášť pro alternativní palivo a uhlí) (6)
CO2uhli spot
CO2 A CO2 B
Obrázek 6: Složení emitovaných emisí z jednotlivých paliv
Skutečně vyprodukované emise (7) Úspora emisí (8)
Obrázek 7: Vyprodukované a uspořené emise
Emise, které je možno odečíst Podle chemického rozboru palivo B obsahuje 12,8 % ( Emise z uhlíku jako biomasa
) uhlíku v biomase [2].
(9) Celkem uspořené emise
=
Tyto EAU (povolenky) je tedy moţno odprodat, ponechat pro další období a nenakoupit při zvýšení výroby atd. Úspora nákladů na emise , popř. zisk z prodeje EAU je tedy počtu s průměrným kurzem 25 Kč/1 EUR
po pře-
5. Zhodnocení výsledků Po připočtení úspor z emisí k úsporám palivových nákladů pro první uvaţovanou variantu, ve které půjde veškeré uspořené uhlí na prodej, jsou celkové úspory vypočítány na 99 milionů Kč/rok (graf č. 3 a)). Ve druhé variantě, kdy jsem uvaţoval proměnné náklady, je uhlí nevytěţené a zůstává v loţisku. Celková úspora finančních prostředků činí 64 milionů Kč/rok (graf č. 3 b)).
21%
32%
b)
a) Graf 3: Procentuální zastoupení emisí
Celkové investiční náklady na pořízení technologií pro vyuţívání paliva z odpadu jsou 35 224 000 Kč. Ţivotnost je plánována na 20 let a provozní náklady jsou stanoveny na 5 824 000 / 20 let. Návratnost investice v obou uvaţovaných variantách je méně neţ jeden rok. Průměrná cena 1 356 Kč/MWh
Snížení palivových nákladů
Průměrná cena 1 356 Kč/MWh
a)
b)
Graf 4: Snížení palivových nákladů
V paroplynovém zařízení elektrárny Vřesové se ročně vyrobí 1 821 406 MWh. Při průměrné ceně (tedy i se započítáním sluţeb) elektřiny 1 356 Kč/MWh je sníţení palivových nákladů poměrně významné (graf č. 4). V první variantě činí sníţení těchto nákladů 54,7 Kč na vyrobenou MWh a pro druhou variantu 35,13 Kč/MWh. Moţná ekologická rizika jsou sníţena na minimum přísným výběrem paliv, tedy zplyňováním paliv s přesně daným sloţením (certifikovaná paliva). Tento postup je finančně náročnější, ale oproti spalovně má takto upravené palivo větší výhřevnost, a tím větší úsporu hnědého uhlí. Rizikem jsou vlastnosti vstupních surovin, tedy obsahy jednotlivých sloţek v palivu. Ekologickým přínosem této technologie je moţnost vyuţití odpadu, který by se za normálních okolností uloţil na skládku. Jedná se tedy o úsporu primárních zdrojů.
Seznam literatury [1] KURAŠ, Mečislav. Odpady, jejich vyuţití a zneškodňování. Praha, 1994. 242 s. ISBN 80-85087-32-4. [2]
SUAS: vnitropodnikové materiály
[3]
MÍKA, Petr. Zplynování uhlí se sníţenou reaktivitou. Praha, 2008. 122 s. Vysoká škola chemicko-technologická v Praze. Dizertační práce.
[4]
Hyţík J.: Efektivita a předpoklady energetického vyuţívání odpadu, seminář Kotle a energetická zařízení, Asociace výzkumných organizací, IBSN 80-214-2576-8, Brno, 2004
