Odpady jako źródło energii

1. Wstęp

Kraje zurbanizowane potrzebują znacznych i coraz większych ilości energii. Energia ta – w przeważającej części – pozyskiwana jest w procesach spalania paliw kopalnych zarówno w elektrowniach, jak i w zakładach przemysłowych, domach i środkach transportu. Kurczenie się zasobów surowców naturalnych, a także paliwowych skłania do poszukiwania alternatywnych źródeł energii. Takim źródłem surowców i energii mogą być odpady.

Odpady mogą stanowić znaczące źródło energii wykorzystywanej zarówno w ciepłownictwie jak i w energetyce .Dotyczy to zarówno odpadów komunalnych, biomasy jak i odpadów specjalnych i przemysłowych. Przydatność odpadów do energetycznego wykorzystania zależy od ich rodzaju, jednorodności i właściwości cieplnych. Wartość energetyczna odpadów zależy od ich pochodzenia, składu i w znacznej mierze od zawartości wilgoci.

2. Alternatywne źródła o potencjale surowców energetycznych

2.1 Biogaz

Biogaz jest gazem fermentacyjnym, który powstaje w wyniku aktywności metanogennych bakterii beztlenowych, powodujących rozkład substancji organicznej. Głównym składnikiem biogazu jest metan CH₄ i dwutlenek węgla CO₂. Biogaz wykorzystuje się m.in go do ogrzewania komór fermentacyjnych. Może być używany do ogrzewania budynków oczyszczalni, ma także zastosowanie w piecach do spalania skratek (największe zanieczyszczenia znajdujące się w ściekach). Bywa wykorzystywany również do napędu silników w połączeniu z wtórnym odzyskiem ciepła. Wartość opałowa biogazu umożliwia jego wykorzystanie do zasilania silnika spalinowego. Biogaz uzyskany w procesie fermentacji jest kierowany do kotłowni wyposażonej w kotły wytwarzające ciepło zarówno na potrzeby technologiczne (podgrzewanie osadu), jak i socjalne (centralne ogrzewanie, ciepła woda). Część biogazu jest wykorzystywana do zasilania zespołu prądotwórczego napędzanego spalinowym silnikiem gazowym.

2.2 Gaz unoszący się nad wysypiskami

Gaz ten może stać się źródłem taniej energii odnawialnej - gazu wysypiskowego. Rozkład substancji organicznych przez mikroorganizmy rozpoczyna się w kilka miesięcy po złożeniu odpadów na wysypisku śmieci. Gaz powinien być zbierany i odprowadzany, a także wykorzystany w układzie wytwarzania energii elektrycznej i ciepła.

2.3 Biomasa

Do celów energetycznych biomasę wykorzystuje się najczęściej: •drewno odpadowe •odchody zwierząt •słomę, makuchy i inne odpady produkcji rolniczej •wodorosty uprawiane specjalnie w celach energetycznych masa

Spalanie biomasy jest uważane za korzystniejsze dla środowiska niż spalanie paliw kopalnych, gdyż zawartość szkodliwych pierwiastków (przede wszystkim siarki) w biomasie jest dużo niższa, a tworzący się w procesie spalania dwutlenek węgla jest zamieniany na biomasę przez kolejne pokolenia organizmów żywych wytwarzających biomasę, które następnie są znowu spalane itd.

2.4 Odpady: odpady komunalne, papier, tworzywa sztuczne, guma, odpadowe rozpuszczalniki, przepracowane oleje, opony, opony rozdrobnione, odpady zwierzęce i tekstylia

Spalarnie pozwalają na odzyskiwanie energii, która jest zawarta w odpadach. Powstająca energia cieplna i elektryczna zaspakaja potrzeby własne zakładów, a jej nadwyżki powinny trafić do sieci miejskiej lub gminnej.

2.5 Osady ściekowe i kanalizacyjne

Koncepcja zagospodarowania osadów ściekowych z wykorzystaniem układu zgazowania pokrywa energetyczne zapotrzebowanie oczyszczalni ścieków. Zaletą jest status osadów ściekowych klasyfikowanych jako biomasa o zerowym współczynniku emisji CO2 oraz w sensie rozliczeń energii elektrycznej pochodzącej ze źródeł energii odnawialnej.

3. Przegląd technologii przetwarzania odpadów na paliwo

3.1 Instalacje norweskie

PAKOM (paliwo komunalne przetworzone z odpadów komunalnych z odzyskiem maksymalnej ilości surowców, a także dające możliwość uzyskania substancji o określonych właściwościach fizyko-chemicznych. )

Na początku odpady komunalne poddawane są wstępnemu rozdrabnianiu– mielone do wymiarów ~10 cm, a następnie transportowane taśmowo do separatorów balistycznych, gdzie rozdzielane są na trzy frakcje: odpady palne, mokrą frakcję organiczną i tzw. „frakcję ciężką”. W skład frakcji palnej wchodzi głównie papier, tworzywa sztuczne, odpady tekstylne i drewno. Z doprowadzonej masy odpadów 36% przetwarzane jest w PAKOM, 43% stanowi wilgotną masę organiczną przetwarzaną w kompost, a 21% pozostałości to metale i ciężkie tworzywa sztuczne. Wartość ciepła spalania wytworzonego paliwa zawiera się w granicach 16-18 MJ/kg. Zawartość wilgoci i popiołu wynoszą około 10%. Zespół urządzeń przerabiających odpady na PAKOM to młyn, separator magnetyczny, sito bębnowe, prasa brykietów i bęben mieszający. Odpady po rozdrobnieniu i oddzieleniu metali są separowane na sicie bębnowym na frakcje powyżej i poniżej 40 mm. Frakcja 40 mm, zawiera odpady żywności i materiał wilgotny, używana jest do kompostowania przechodząc uprzednio przez bęben mieszający. 61% materiału niekompostowanego zagęszczane jest w prasie bębnowej i odtransportowywana na składowisko lub przerabiana na PAKOM o wartości opałowej 11,3 MJ/kg i zawartości wilgoci ok. 31% oraz popiołu 13,3%.

3.2 Technologie niemieckie

UWAS (Umwelttechnik GmbH) – technologia ta bazuje na gruntownej obróbce odpadów, oddzieleniu substancji niepalnych i wilgotnych. Podstawowe procesy tj. odsiewanie, rozdrabnianie, odseparowanie metali i nadających się do przetworzenia produktów oraz frakcji lekkich pozwalają wykorzystać znaczną część odpadów jako nośnika energii przy równoczesnym ograniczeniu substancji toksycznych. W procesie przetwarzania odpadów możliwe jest uzyskanie z 1 Mg odpadów komunalnych 0,5 Mg PAKOM-u (BRAM). PAKOM, nadaje się do magazynowania i zastosowania w energetyce zawodowej i ciepłownictwie.

W zakładach odzysku surowców Dußlingen (Niemcy) technologia przetwarzania odpadów opiera się na następujących procesach: rozdrabnianiu, przesiewaniu, oddzielaniu metali i niemetali, separacji powietrznej, dodatku substancji obcych, rozdrabnianiu wtórnym, suszeniu, paletowaniu i brykietowaniu, schładzaniu, składowaniu (magazynowaniu). Frakcja lekka z obrotowego separatora pneumatycznego i po separacji w separatorze jest składowana w zbiorniku skąd poddawana jest wstępnemu rozdrobnieniu i zagęszczeniu. Poprzez rynnę wibracyjną i przenośnik kubełkowy materiał dostaje się do kolejnego zasobnika pełniącego rolę buforu, skąd poprzez przenośniki ślimakowe wpływa do suszarki bębnowej, a następnie podajnikiem zgrzebłowym i łańcuchowym transportowany jest do końcowego zagęszczania (pras II). Gotowy produkt przez ochładzacz taśmowy i sito separujące odprowadzany jest do wykorzystania. PAKOM (BRAM) składa się w 65-85% (masowo) z papieru i tektury, 10-13 % to tworzywa sztuczne i 4-13 % materiał inertny.

3.3 Technologie austriackie

MVA Flötzersteig

Spalanie odpadów odbywa się w trzech liniach o łącznej, nominalnej wydajności około 180 000 Mg/a, przy czym: każda linia wyposażona jest w poziomy przeciw zwrotny ruszt jednotorowy, o powierzchni 29,3 m2, ze zdolnością spalania 8,5 Mg/h, kocioł każdej linii nominalnie produkuje 27 Mg/h pary o ciśnieniu 1,5 MPa i temperaturze 320^oC, sprawność kotła wynosi około 83 %, temperatura spalania w przybliżeniu 1100^oC, sumaryczna moc cieplna 50 MWth (megawatt thermal). Pozyskiwane ze spalania ciepło – 310 GWh wykorzystywane jest całorocznie.

MVA Spittelau

Spalarnia Spittelau jest częścią zespołu elektrociepłowni, w skład której wchodzą szczytowe kotły wodne, opalane gazem naturalnym. Spalanie odpadów następuje w dwóch liniach, z których każda wyposażona jest w dwutorowy ruszt kaskadowy , o przepustowości 17-18 Mg/h, co pozwala rocznie spalać około 250 000 Mg odpadów. Energia spalania odpadów komunalnych, o średniej wartości opałowej rzędu 9200 kJ/kg, odzyskiwana jest w dwóch kotłach, w których w sumie wytwarzane jest 90 Mg/h pary nasyconej o ciśnieniu 3,2 MPa, kierowanej dalej do turbogeneratora i ostatecznie do grupy wymienników ciepła.

3.4 Technologia Szwajcarsko – Hiszpańska SIBERSA

W Hiszpanii i Szwajcarii opracowano technologię, w której oprócz separacji i paletowania, wprowadzono do PAKOMu związki chemiczne stabilizujące biologicznie produkt i równocześnie zmniejszające efekty zanieczyszczenia środowiska produktami spalania. Produkt palny (hiszpańsko-szwajcarski) o nazwie SIBERCOM posiada wyższą od norweskich produktów wartość opałową i jest obojętny biologicznie. Cechuje go jednolity kształt o regularnych wymiarach bez frakcji drobnej, niska emisja HCl i SO2 w procesie spalania, niska wilgotność oraz brak materiałów obojętnych (metale, szkło). Otrzymany popiół posiada skład zbliżony do klinkieru (produkt stosowany do produkcji cementu) z cementu portlandzkiego. W wyniku procesu przetwarzania uzyskuje się średnio 0,48 kg SIBERCOM-u wilgotnego o wartości opałowej 12,6-16,7 MJ/kg masy wilgotnych odpadów.

3.5 Technologia firmy ORFA

Technologia niemieckiej firmy ORFA przetwarza całą masę niesortowanych odpadów w substancje podlegające dalszemu wykorzystaniu. Nie wymaga powierzchni składowania poza przejściowym gromadzeniem odzyskanych surowców do dalszego ich wykorzystania. Technologia przetwarzania niesortowanych odpadów w paliwo opiera się na procesie głębokiego ich rozdrabniania. Na uzyskanie frakcji lekkich i ciężkich pozwala proces wielokrotnego rozdrabniania (odpady przechodzą bezpośrednio do urządzenia wstępnie rozdrabniającego 2 i są rozdrabniane do uziarnienia około 80 mm. ) w połączeniu z separacją sitową jak i aerodynamiczną w każdym z punktów separacji. Ze 100% odpadów, w warunkach eksploatacyjnych, istnieje możliwość odseparowania, po pierwszym krojeniu 5% metali ferromagnetycznych, a po dalszym oddzieleniu około 0,3 % pyłu i wydzieleniu 31,3% wilgoci (z pozostałej masy), wydzielane są poszczególne frakcje oznaczone L- frakcja lekka ( która jest rozdrabniana przez młyn na ziarna o wymiarach 10x10 mm )( i H frakcja cięższa (granulat) Poszczególne frakcje dzielone są w sitach na frakcje, dzielone pod względem uziarnienia. Właściwa kompozycja poszczególnych składników – frakcji pozwala uzyskać zarówno surowce do dalszych technologii jak i substancję nazywaną paliwem przemysłowym. Podstawowymi składnikami paliwa PAKOM są: papier tekstylia, odpady organiczne, tworzywa sztuczne oraz tlenek wapnia.

4. Konwersja odpadów w energię : metody termiczne

4.1 Spalanie

Jest to proces termiczny przebiegający powyżej temperatury zapłonu substancji organicznych i przy określonym nadmiarze tlenu.

Spalarnia odpadów komunalnych (etapy):

1.Przyjęcie odpadów,

2.Magazynowanie odpadów,

3.Załadunek odpadów: Operator chwytaka załadowuje odpady do lejów zasypowych kolejnych linii. Odpady te następnie poprzez lej zasypowy i system popychaczy hydraulicznych dostają się na ruszt.

4.Ruszt: Odpady na ruszcie ulegają spalaniu, a nowoczesna technologia spalania zapewnia jak najmniejszą emisję zanieczyszczeń. Nazywamy to stosowaniem pierwotnych metod ograniczania emisji zanieczyszczeń.

5.Komora spalania: Dalej powstałe spaliny kierowane są do kotła (wymiennika ciepła), w którym oddają swoje ciepło, w wyniku czego - identycznie jak w elektrowni czy elektrociepłowni - produkowana jest para. Para ta o temperaturze zazwyczaj ok. ^oC i ciśnieniu ok. 40 bar kierowana jest do turbogeneratora produkującego energię elektryczną i dalej do systemu wymienników ciepła oddających ciepło do systemu ciepłowniczego miasta. Dla spalarni o wydajności ok. 250 000 Mg/rok ilość wyprodukowanej energii elektrycznej jest wystarczająca dla 25 000 gospodarstw domowych, a ilość ciepła wystarcza do ogrzania 50 000 gospodarstw domowych. :Odzysk ciepła,

Z 1 Mg odpadów komunalnych uzyskuje się średnio: - 0,396 MWh energii elektrycznej (1,426 GJ); - 6,600 GJ energii cieplnej (1,786 MWh). Spalarnie odpadów zapewniają ogrzewanie.

4.2 Zgazowanie

Zgazowanie - zamiana jakiejkolwiek substancji zawierającej węgiel w gaz, który ma jeszcze użyteczną, możliwą do wykorzystania, wartość opałową. Czynnikiem zgazowującym może być: tlen, powietrze, para wodna lub ich mieszanina . Zgazowanie może być stosowane dla ciał stałych, ciekłych i gazowych. Zgazowywane mogą być różnego rodzaju węgle, oleje jak również gaz ziemny oraz różnej postaci produkty odpadowe. Zgazowanie biomasy jest uważane za obiecujący sposób jej konwersji w paliwo gazowe mogące znaleźć zastosowanie w turbinach gazowych, tłokowych silnikach spalinowych i ogniwach paliwowych.

Termiczne przekształcanie odpadów metodą zgazowania

Proces zgazowania polega na termicznym rozkładzie materii organicznej przy niedoborze tlenu. W procesie zgazowania temperatury reakcji są znacznie wyższe niż w pirolizie i wynoszą od 500 do 16000C, pozwalając na zgazowanie mineralnego węgla znajdującego się w odpadach, w wyniku czego powstaje palny gaz syntetyczny. Wykorzystanie czystego tlenu w ostatnim etapie procesu pozwala na osiągnięcie temperatury reakcji, przy której pozostałości mogą zostać zeszkliwione. Do procesu zgazowania wykorzystane są różnego typu reaktory np.: piece obrotowe, kotły fluidalne ze złożem stacjonarnym lub cyrkulacyjnym.

Przygotowanie odpadów: Zmieszane odpady komunalne przed podaniem ich do komory reakcyjnej muszą być poddane wstępnemu przygotowaniu czyli rozdrobnieniu i mieleniu, aby ich skład został maksymalnie ujednolicony. W zależności od rodzaju czynnika użytego do częściowego utlenienia odpadów, powstaje gaz syntetyczny o określonej wartości opałowej. W procesie częściowego utleniania z wykorzystaniem tlenu powstaje gaz syntetyczny, wolny od azotu o wartości opałowej od 8 do 14 MJ/m3. Dzięki wykorzystaniu pary w procesie zgazowania, wyprodukowany gaz syntetyczny również nie zawiera w sobie azotu i jego wartość opałowa wynosi od 14 do 20 MJ/m3. Odzysk energii ze spalin może być prowadzony w kotle odzysknicowym. Ze spalania gazu syntetycznego powstają spaliny, z których w kotle odzyskiwane jest ciepło wykorzystywane do wytworzenia pary.

Produkty i ich wykorzystanie:

4.3 Piroliza

Pirolizą nazywamy proces transformacji termicznej bogatych w węgiel substancji organicznych, który odbywa się w podwyższonych temperaturach, w środowisku całkowicie pozbawionym tlenu bądź przy jego pomijalnie małej obecności. Proces ten jest z natury endotermiczny (wymaga dostarczenia ciepła z zewnątrz) i przebiega w temperaturach do 1 000 °C. Skład i ilość produktów pirolizy zależy od rodzaju odpadów, ich właściwości fizykochemicznych oraz od temperatury procesu. Podczas procesu pirolizy masa odpadów zostaje przekształcona w:

- gaz pirolityczny zawierający głownie wodór, metan, etan i ich homologi, tlenek i dwutlenek węgla oraz inne związki takie jak: siarkowodór, amoniak, chlorowodór, oraz fluorowodór

- koks pirolityczny - fazę stałą zawierającą węgiel oraz metale i inne substancje inertne (bezwładne)

- fazę ciekłą zawierającą mieszaninę olejów, smół oraz wody i rozpuszczonych w niej prostych aldehydów, alkoholi i kwasów organicznych.

Wśród produktów pirolizy największy udział ma faza ciekła (ok. 60 %, niezależnie od temperatury pirolizy), natomiast wraz ze wzrostem temperatury maleje ilość fazy stałej na korzyść fazy gazowej. Trzeba jednak przy tym pamiętać, że w wysokich temperaturach faza ciekła wydzielona w wyniku pirolizy podlega odparowaniu wzbogacając fazę gazową. Średnia wartość opałowa gazu pirolitycznego pochodzącego z odpadów komunalnych waha się w granicach 12 -16 MJ/Nm3.