Serwis Odpady.org.pl: Strona do druku http://odpady.org.pl/print.php?plugin:content.2805
Problemy z nazewnictwem procesów termicznego przekształcania odpadów
nothingman, niedziela 01.02.2009
Problemy z nazewnictwem procesów termicznego przekształcania odpadów
Wstęp
Problematyka gospodarki odpadami jest ważną dziedziną techniki a jednocześnie szeroko rozumianej działalności
człowieka. Konsumpcyjny styl życia obecnych społeczeństw, cechujący się tym, że należy produkować więcej i zużywać więcej,
powoduje powstawanie ogromnej masy różnorakich odpadów. Odpady te, w ostatecznym rozrachunku zawsze trafiają do
środowiska.
Szkodliwość materiałów odpadowych jest różna, różne też są metody ich zagospodarowania. Wśród podstawowych
metod gospodarki odpadami jak składowanie, kompostowanie, powtórne użycie, jest również metoda termiczna,
która w najogólniejszym zarysie polega na poddaniu odpadów działaniu wysokiej temperatury. Skutkiem jest redukcja
objętości odpadów ułatwiająca składowanie pozostałości. Najbardziej ogólnie można powiedzieć, że metody termiczne to spalanie,
piroliza lub zgazowanie. Prawie wszystkie procesy wywodzą się z technologii stosowanej w przeróbce węgla, ropy naftowej lub
drewna. Stosowana nomenklatura pochodzi bezpośrednio z tych technologii i jest często tłumaczeniem z literatury zachodniej
(normy, prospekty reklamowe). Zjawisko wprowadzania nowego nazewnictwa nasila się teraz, gdy jest tworzone prawo dotyczące
gospodarki odpadami, spalarni itd. W literaturze istnieje duża różnorodność definicji poszczególnych procesów technologicznych.
Często te same procesy pod względem termodynamicznym są odmiennie nazywane, co nie sprzyja jasności i możliwości szybkiego
ich porównania pod względem zasady działania, sprawności itd.
W niniejszym artykule omówiono różnorodne definicje procesów termicznego przekształcania odpadów.
Podstawowe definicje
Dla prawidłowego zrozumienia podstawowych pojęć wydaje się celowym rozpocząć od omówienia definicji
spalania, odgazowania, pirolizy i zgazowania.
Autor pracy [1] podaje podstawowe definicje omawianych procesów. Przez spalanie rozumie się szybką reakcję chemiczną związaną
z wyzwoleniem dużych ilości ciepła i światła. W bardziej naukowy sposób można określić je jako szybko przebiegające reakcje
utleniania. Pojęcie szybkiej reakcji oznacza, że może być ona kontrolowana przez człowieka. Ani powolne utlenianie ani gwałtowny
wybuch nie są kontrolowane i nie podlegają tej definicji.
Odgazowanie [1] polega na uwolnieniu pod wpływem temperatury z paliwa substancji, które w tej temperaturze są
w stanie gazowym. Proces ten prowadzi do powstania części lotnych oraz pozostałości koksowej (karbonizatu), stąd odgazowanie
nazywa się często karbonizacją Części lotne zawierają składniki gazowe takie jak dwutlenek węgla, metan, azot i inne gazy oraz
ciężkie węglowodory, które po ochłodzeniu gazu do temperatury otoczenia skraplają się tworząc substancję smolistą. Piroliza
węglowodorów [1] jest procesem ich termicznego rozkładu i odbywa się często jako proces równoległy podczas podgrzewania
substancji, gdy zachodzi odgazowanie a póz
niej rozkład powstałych gazów na węglowodory prostsze. Jest to często proces wstępny
przed właściwym spalaniem części lotnych i pozostałości koksowej. Właściwa piroliza zachodzi bez dostępu powietrza, w przeciwnym
razie następowałoby szybkie utlenianie produktów pirolizy.
Wśród autorów istnieje duża zgodność, co do procesu spalania. Więcej niejasności pojawia się w definicjach
pirolizy. Oto, jakie definicje proponuje leksykon naukowo-techniczny [2]:
1. piroliza - proces degradacji cząsteczki związku chemicznego pod wpływem odpowiednio wysokiej temperatury; procesy
pirolityczne są najczęściej prowadzone w celu otrzymania węglowodorów nienasyconych z parafin znajdujących się w
gazowych lub ciekłych produktach naftowych (krakowanie);
2. zgazowanie paliwa, gazyfikacja paliwa - proces przekształcania paliwa stałego w paliwo gazowe; zgazowanie paliwa
przeprowadza się działając tlenem (lub powietrzem) i parą wodną na paliwo stałe zamknięte w generatorze;
3. odgazowanie węgla, destylacja sucha węgla - procesy technologiczne rozkładu węgla w wysokiej temperaturze bez dostępu
powietrza, zwane wytlewianiem (temp. 500-600�C) i koksowaniem (temp. 900-1100�C);
4. destylacja sucha drewna, piroliza drewna - proces technologiczny polegający na ogrzewaniu drewna przy temperaturze
500�C bez dostępu powietrza w specjalnych retortach; wskutek termicznego rozkładu drewna otrzymuje się; węgiel drzewny,
smołę drzewną terpentynę itp.;
5. odgazowanie - usuwanie zanieczyszczeń gazowych z ciał stałych i cieczy; najczęściej przeprowadza się odgazowanie metali
(zanieczyszczonych tlenem, wodorem i azotem) oraz odgazowanie wody i oleju.
Określenie pirolizy (1) jest bardziej chemiczne, dotyczy cieczy i gazów, jednak występuje ono również jako
określenie suchej destylacji drewna (4). Widać, więc że definicja pirolizy jest najszersza i obejmuje substancje od stałych do
1 z 5 2010-01-24 14:55
Serwis Odpady.org.pl: Strona do druku http://odpady.org.pl/print.php?plugin:content.2805
gazowych. Sama zaś sucha destylacja jest też wykorzystywana jako określenie odgazowania węgla (3). Stąd określenia piroliza i
odgazowanie (ale z określeniem czego: np. węgla) są często używane zamiennie. W technice występuje również określenie
odgazowania według definicji (5), mówiącej o odgazowaniu jako  oczyszczaniu", głównie cieczy. Odgazowanie rozumiane jako
piroliza może być więc stosowane, jednak dla pełnej jasności należy uzupełniać je określeniem przedmiotu tego procesu np. węgla,
drewna, biomasy itd.
Piroliza sprawia trudności definicyjne i jest różnie rozumiana. Poniżej podano jak powyższe procesy są rozumiane
przez innych autorów:
a) w pracy [3] odgazowaniem nazywa się proces pirolityczny, któremu poddaje się wszelkie paliwa stałe bez dostępu powietrza,
połączony z mniej lub więcej głęboką przemianą substancji organicznej i z rozdzieleniem produktów pirolizy na lotne i stałe. W pracy
tej zwrócono uwagę na dwa dominujące zjawiska. Pierwsze polega na depolimeryzacji makrocząsteczek o masie cząsteczkowej
powyżej 5000 na produkty średnio- i niskocząsteczkowe, o masach cząsteczkowych np.: (dla wysokotemperaturowego odgazowania
węgla) smoła około 300 400, surowy benzol 100, metan 16, wodór 2. Drugie zjawisko polega na przesuwaniu się proporcji
wodoru, azotu, tlenu i siarki w stosunku do elementarnego węgla wśród wszystkich produktów pirolizy. Na końcu tego procesu
nie ma już substancji o pierwotnej strukturze chemicznej.
b) w pracy [4] odgazowanie węgla jest podzielone na trzy warianty: koksowanie, wytlewnienie oraz szybkie wytlewnianie, czyli
piroliza. Określenie piroliza zostaje przypisane tylko pewnej określonej szybkości nagrzewania. W przypadku drewna posługiwano się
określeniem termicznego jego rozkładu, przedstawiającym schemat ideowy rozdzielania produktów procesu termicznego rozkładu
drewna. Opisano przechodzenie drewna w węgiel drzewny oraz fazy ciekłą i gazową jako pirolizę.
c) praca [5] dotycząca chemii drewna podaje, że proces, w którym drewno poddaje się działaniu ciepła przy ograniczonym dostępie
powietrza nazywa się suchą destylacją lub pirolizą a obecnie coraz częściej termolizą
d) w pracy [6] jako definicję pirolizy odpadów podano, że jest to termiczne rozbicie odpadów zawierających substancje
organiczne bez dostępu tlenu.
Definicje i określenia pirolizy zmieniają się również w czasie, np.:
rok 1954: proces termicznego rozpadu ciał, w wyniku którego z cząsteczek pierwotnych przez odrywanie się poszczególnych
atomów lub grup atomowych powstają w zależności od: temperatury, wielkości użytego ciśnienia i czasu ogrzewania, nowe
produkty, tj. zachodzi pirogeneza nowych cząsteczek z części składowych poprzednio istniejących cząsteczek [7];
rok 1997: proces termicznej degradacji związków wielkocząsteczkowych przebiegający bez dodatku innych surowców
chemicznych [8].
Spojrzenie  odpadowe" na procesy termicznej utylizacji odpadów
Powyższe definicje dotyczyły głównie procesów przerobu węgla, drewna czy ropy naftowej. Pomimo, że procesy te
zastosowane w przekształcaniu odpadów są  technologicznie" te same, to ich cel jest inny. Dlatego przykładowo,
można w zależności od celu prowadzenia spalania rozróżnić prócz zwykłego spalania (cele energetyczne), spopielanie (ang.
inci-neration) [6], gdy podstawowym celem jest redukcja objętości, masy substancji - głównie odpadowych. Spopielanie jest
szczególnie trafnym określeniem, w przypadku niszczenia odpadów niebezpiecznych [9], gdyż uciążliwość gazów spalinowych,
pyłów i żużli (powstałych w wyniku procesu termicznego) jest mniejsza niż odpadu niebezpiecznego zagospodarowanego w inny
sposób (np. składowanie). Oczywiste i celowe jest, aby w miarę możliwości łączyć te dwa cele.
Zaproponowany powyżej fragment z tabeli (1) dotyczący sposobu klasyfikacji procesów termicznych ujmuje główne cechy
poszczególnych procesów inżynierii procesowej. Autor wyraz
nie rozróżnia pirolizę od odgazowania. Wielu autorów utożsamia jednak
te dwa procesy używając nazw zamiennie dla węgla [10] i dla odpadów [11]. Użycie jako nazwy nadrzędnej  spopielanie", również
dla procesu zgazowania, sugeruje, że to otrzymanie popiołu (redukcja masy, objętości odpadu) jest celem procesu, podczas gdy
zwykłe zdefiniowanie zgazowania podkreśla otrzymanie wysokokalorycznego gazu procesowego. Jest to, więc tylko przesunięcie
akcentów.
Pojawiają się też klasyfikacje pochodzące z tłumaczeń literatury obcojęzycznej [12]. W pracy [13] podano taką
klasyfikację proponując następujące nazewnictwo (tab. 2).
Tab. 1.  Odpadowe" spojrzenie na definicje procesów termicznej utylizacji odpadów [1]
Proces Uwęglanie Spopielanie
Procesy
piroliza odgazowanie zgazowanie spalanie
składowe
Współczynnik
nadmiaru brak powietrza zewnętrznego <1 >1
powietrza A
2 z 5 2010-01-24 14:55
Serwis Odpady.org.pl: Strona do druku http://odpady.org.pl/print.php?plugin:content.2805
Produkty gazowe palne palne niepalne
proces endotermiczny lub
Energia proces egzotermiczny
egzotermiczny
Tab. 2. Podział metod termochemicznych wg [12]
Termoliza
Proces Spalanie Reaktoliza
(piroliza)
- częściowe utlenienie-
uwodornienie
- solwoliza (hydroliza,
alkoholiza i inne)
- metody specjalne (użycie
stopionych soli)
Rys. 1. Przebieg pirolizy pojedynczego ziarna substancji stałej
Dokładny opis poszczególnych metod został podany w pracy [13]. Proces spalania zdefiniowano jako typową
reakcję egzotermiczną ze współczynnikiem nadmiaru powietrza A > 1. Do określenia pirolizy zastosowano termin
 termoliza". Jednakże inni autorzy [14] definiują termolizę jako proces termicznej destrukcji odpadów tworzyw sztucznych. Użycie
pierwszego członu nazwy  termo" w miejsce  piro" ma podkreślać termiczność procesu, tzn. zachodzenie w podwyższonej
temperaturze. Jednakże sam przedrostek piropochodzi z języka greckiego i oznacza ogień. Największą zmianę zawiera termin
reaktoliza. Częściowe utlenianie to zgazowanie poprzez miejscowe spalanie przy niedomiarze powietrza. Powstające gazy
spalinowe wraz z wilgocią własną odpadów stanowią tu czynnik zgazowujący. Uwodornienie to zgazowanie wodorem. Hydroliza -
typ solwolizy - to zgazowanie parą wodną. Według tej klasyfikacji znika określenie zgazowania odpadów, w zamian stosuje się
kilka nowo brzmiących terminów. Uproszczone definicje pirolizy i zgazowania
Upraszczając rozważania dotyczące przebiegu pirolizy i zgazowania można zobrazować je na schematach (rys. 1 i
2).
Warunkiem zajścia pirolizy ziarna odpadów jest podwyższona temperatura pozwalająca na wydzielanie się części lotnych z
substancji stałej (dopływ ciepła z zewnątrz, proces endotermiczny). Drugim warunkiem jest całkowity brak utleniacza (stan
teoretyczny, w praktyce istnieje pewna zawartość tlenu w cząstce odpadu oraz powietrze w przestrzeni między ziarnami).
Produktami gazowymi procesu w podwyższonej temperaturze są części lotne, z których po schłodzeniu wykrapla się smoła
pogazowa. Pozostałość stała jest palna i uwęglona, tzn. wzbogacona w węgiel, składem zbliżona do koksu. Dla odróżnienia jednak
od koksu węglowego bywa nazywana karbonizatem lub pirolizatem.
3 z 5 2010-01-24 14:55
Serwis Odpady.org.pl: Strona do druku http://odpady.org.pl/print.php?plugin:content.2805
Rys. 2. Przebieg zgazowania pojedynczego ziarna substancji odpadowej
W przypadku zgazowania również podwyższona temperatura jest warunkiem koniecznym, jednak może ona być
zapewniona poprzez egzotermiczne reakcje zgazowania. Konieczne jest wprowadzenie zewnętrznego czynnika
zgazowującego, który reaguje z częściami lotnymi wydzielonymi podczas ogrzewania ziaren odpadów (odgazowanie) oraz
karbonizatem. Podobnie i tu, produktami gazowymi procesu w podwyższonej temperaturze są części lotne, z których po schłodzeniu
wykrapla się smoła pogazowa. Największą różnicę stanowi jednakże pozostałość stała. Jest ona niepalna (obecność jakichkolwiek
substancji palnej wskazuje na niedoskonałość procesu).
W pracy [3] przedstawiono charakterystykę procesu zgazowania i porównano go z odgazowaniem. Jeśli odgazowanie zachodzi przy
odcięciu dopływu powietrza w dużej i zwartej masie paliwa stałego a towarzyszące reakcje chemiczne są jednokierunkowe,
nieodwracalne, to zgazowanie dochodzi do skutku przy dostępie czynnika zgazowującego (tlen z powietrza, para wodna,
dwutlenek węgla, kombinacja tych czynników), zachodzi nie w masie paliwa a na jego powierzchni, granicy faz stałej i gazowej oraz
reakcje chemiczne są odwracalne. Inną różnicą są oczekiwane produkty procesu: w odgazowaniu są to głównie koks (karbonizat), a
w mniejszym stopniu gazy lub produkty ciekłe; dla zgazowania zaś dominującym produktem są gazy, a substancja stała jest jedynie
odpadem (pozostałość mineralna).
Podsumowując można przyjąć, że:
Piroliza - proces termiczny przekształcania substancji organicznych w środowisku pozbawionym tlenu lub przy jego dużym
niedoborze. Proces ten jest z natury endotermiczny. W wyniku procesu powstają produkty lotne, z których część po ochłodzeniu
można skondensować (smoła -węglowodory i woda) oraz substancja stała (karbonizat - zwany również pirolizatem).
Odgazowanie- termin tożsamy pirolizie.
Zgazowanie - zespół wielokierunkowych przemian termicznych i chemicznych zachodzących w podwyższonej temperaturze
pomiędzy substancją organiczną odpadu a środkami zgazowujący-mi takimi jak: powietrze, tlen, para wodna lub wodór. W wyniku
procesu powstaje mieszanina gazów palnych i niepalna pozostałość stała [15].
Należy pokrótce omówić powyższe definicje. W modelowaniu procesów odgazowania jako układ modelowany
przyjmuje się najczęściej pojedyncze ziarno, element objętościowy odpadów: np. deska, walec. W rzeczywistości
odgazowanie zachodzi w dużej masie substratów. Jednym z podstawowych założeń modelowania jest brak oddziaływań między
tworzącymi się fazą lotną a karbonizatem, co można dla pojedynczych ziaren osiągnąć np. przy obniżonym ciśnieniu w komorze
pirolitycznej, wtedy też można przyjąć, że w całym zakresie temperaturowym procesu (szczególnie w wyższych temperaturach
>500�C) nie zachodzą albo też nie przeważają reakcje typowe dla zgazowania a mianowicie między węglem C a substancjami
lotnymi, jak: C02, CO, H2, H20, które są produktami samego procesu pirolizy. Inaczej jest w przypadku złoża materiału
pirolizowanego, gdzie powstające substancje lotne oddziałują na karbonizat i zachodzą reakcje zgazowania. Są to jednak tylko
reakcje zgazowania a sam proces jest ciągle procesem pirolizy. Procesem zgazowania powinno nazywać się tylko te procesy
zachodzące dla pojedynczych ziaren lub technologiczne w dużej objętości wsadu, w których celowo i z zewnątrz wprowadza się
czynnik gazowy: C02, CO, H2, H20, 02 o regulowanych parametrach: temperaturze, ciśnieniu i składzie.
Jako polski odpowiednik słowa piroliza powinno używać się odgazowanie, które może nie jest zbyt ścisłe, bowiem sugeruje
oddzielenie gazu zawartego w jakieś substancji np. odgazowanie wody ma na celu pozbycie się gazów (rozpuszczonego w niej
powietrza), jednak jest przynajmniej zbliżone znaczeniowo do samego procesu (tj. tworzenia się gazów).
Normowe ujęcie definicji procesów
Problem prawidłowego nazewnictwa procesów termicznej utylizacji odpadów jest ważny, ze względu na przyjmowane regulacje
prawne. A
atwo wyobrazić sobie sytuację, gdy oferowana technologia nie podlega formule określającej typ procesu i nie musi
spełniać odpowiednich wymogów technicznych i ekologicznych. Dlatego też, definicje polskich norm i rozporządzeń winny być ścisłe
i przewidujące. Ustawa z dnia 27 kwietnia 2001 r. o odpadach [16] wychodząc z definicji spalarni, jako miejsca do termicznego
przekształcania odpadów i poprzez definicję tego procesu - termiczne przekształcanie odpadów: procesy utleniania odpadów, w
tym spalania, zgazowania lub rozkładu odpadów, w tym rozkładu pirolitycznego - określa nazwy możliwych procesów inżynierii
procesowej.
Szczególnie cenne jest ujęcie wszelkich procesów prowadzących do rozkładu odpadów (np. piroliza) jako metod termicznej
utylizacji odpadów. W ten sposób jakiekolwiek termiczne technologie z dziedziny utylizacji odpadów o nowych nazwach, poprzez
4 z 5 2010-01-24 14:55
Serwis Odpady.org.pl: Strona do druku http://odpady.org.pl/print.php?plugin:content.2805
zasadę działania podlegają takiej definicji. Problemem może być jedynie, co precyzyjnie oznacza, że proces jest termiczny i na czym
polega rozkład odpadów.
Podsumowanie
Nazewnictwo występujące w zagadnieniach termicznego zagospodarowania odpadów wywodzi się z inżynierii chemicznej i
procesowej. Szczególne zainteresowanie opinii społecznej utylizacją odpadów wymaga, aby akty prawne, firmy oferujące
technologie, badacze i użytkownicy instalacji do termicznego przekształcania odpadów posługiwali się tymi samymi definicjami.
LITERATURA
[1] Nadziakiewicz J.: Spalanie stałych substancji odpadowych, Wydawnictwo Gnomę, Katowice 2001 [2] Leksykon naukowo-
techniczny, WNT, Warszawa 1984 [3] Kwiatkowski E.: Nowoczesna chemia przemysłowa, PWT, Warszawa 1957
[4] Bogoczek R., Kocitek-Balawejder E.: Technologia chemiczna organiczna, Wydawnictwo Akademii Ekonomicznej we
Wrocławiu, Wrocław 1992
[5] Prosiński S.: Chemia drewna, Państwowe Wydawnictwo Rolnicze i Leśne, Warszawa 1984
[6] Wandrasz J.: Współczesne spalanie odpadów a ochrona środowiska, Ochrona środowiska, 1 (72), Wrocław 1999
[7] Tołoczko S.: Chemia organiczna, PWN, Warszawa 1954
[8] Blędzki A. (red.): Recykling materiałów polimerowych, WNT, Warszawa 1997
[9] Oleniacz R.: Czynniki wpływające na skład i wielkość emisji zanieczyszczeń z procesów termicznego przekształcania
odpadów niebezpiecznych. Konferencja Paliwa z Odpadów, III, Wisła 2001
[10] Tomeczek J.: Zgazowanie węgla. Skrypt Politechniki Śląskiej nr 1551/4, Gliwice 1991
[11] Pająk T.: Quasl-pirolitycze technologie spalania odpadów komunalnych, Konferencja Paliwa z Odpadów, I, Ustroń
1997
[12] Warnecke R.: Thermochemische Verfahren zur Behandlung von Abfal-len, Abfallwirschafts lournal, 3, 1996
[13] Ledakowicz S., Kozłowska B., Stolarek P.: Piroliza i zgazowanie osadów ściekowych z oczyszczalni ścieków w A
asku,
Konferencja Paliwa z Odpadów, I, Ustroń 1997
[14] Ściążko M., Sobolewski A., Fitko H.:  Karboterm" -paliwo węglowe na bazie odpadowych tworzyw sztucznych,
Konferencja Paliwa z Odpadów,
I, Ustroń 1997
[15] Wasielewski R., Sobolewski A.: Otrzymywanie gazu syntezowego z. odpadowych tworzyw sztucznych, Konferencja
Paliwa z Odpadów, Międzybrodzie Żywieckie 1999
[16] Ustawa o odpadach z dnia 27 kwietnia 2001 r., Dz. U. nr 62, poz. 628
KRZYSZTOF WACA
AWIAK
Ochrona Powietrza
Ta publikacja pochodzi ze strony Serwis Odpady.org.pl
( http://odpady.org.pl/plugins/content/content.php?content.2805 )
5 z 5 2010-01-24 14:55