Splynovanie odpadov v plazmovej peci

1. Úvod
Na území Slovenskej republiky sa ročne vyprodukuje asi 19,8 mil. ton odpadov, z toho 10,1 mil. ton ostatných odpadov, 9,7 mil. ton zvláštnych odpadov, z toho 1,4 mil. ton nebezpečných a 1,7 mil. ton komunálnych odpadov [1]. Najrozšírenejším spôsobom zneškodňovania odpadov je stále ich skládkovanie. Problémy so skládkovaním komunálneho odpadu, ktorého priemerné zloženie sa bude meniť asi tak ako je graficky znázornené na obr.1 podľa [2] nespôsobuje len zaberanie plôch potrebných na skladovanie odpadov ale aj tvorba nežiadúceho plynu - metánu, ktorý na skládkach vzniká pri aeróbnej konverzii organických zložiek [3,4].
Ročný prírastok odpadov ukladaných na skládkach vo svete rastie o cca 3 % ročne, a tak sa plocha, na ktorej sa odpad ukladá neustále rozširuje, pričom súčasne rastie aj množstvo emitovaného metánu, ktorý sa dostáva do atmosféry, kde výraznou mierou prispieva ku skleníkovému efektu.

Z uvedeného vyplýva, že nové právne normy o odpadoch [5] by mali vytvoriť nie len ekonomické nástroje na predchádzanie vzniku odpadov a minimalizáciu jeho množstva, ale vytvoriť podmienky aj na jeho zhodnocovanie ako zdroja druhotných surovín a energie. Jeden zo spôsobov energetického využitia odpadov je ich spaľovanie alebo splynovanie v plazmových reaktoroch [6-9].

Pri spaľovaní odpadov sa do atmosféry emituje oxid uhličitý, spôsobujúci skleníkový efekt ale s nižším klimatickým vplyvom ako metán. Po spálení komunálneho odpadu zostane škvara a popolček, ktoré tvoria 25 až 30 % hmotnosti, ale len 10 až 15 % pôvodného objemu odpadu. V popolčeku a škváre sa koncentrujú toxické látky, a tak hoci sa plocha potrebná na ich uskladnenie podstatne zníži treba takýto odpad skladovať na skládkach s riadeným režimom.

Iný spôsob využitia energetického obsahu odpadu je jeho splynovanie vysokoteplotnou pyrolýzou v plazmovej peci, o čom pojednáva aj predložený článok.

Rok 1998 Energetický obsah 2,9 kWh/kg Rok 2009 Energetický obsah 3,3 kWh/kg

Obr.1 Priemerné chemické zloženie komunálneho odpadu [2].

2. Splynovanie odpadov v plazmovej peci
Základom plazmového splynovania odpadu je plazmový oblúk, v ktorom sa plazmový plyn (argón, dusík, vzduch a pod.) prechádzajúci horákom v elektrickom poli vysokej intenzity transformuje na plazmu s teplotou niekoľko tisíc stupňov Celzia.

Pri takýchto teplotách nezávisle na parciálnom tlaku kyslíka dochádza k rozkladu organického a časti anorganického odpadu na jednoduché plynné a kvapalné zlúčeniny podľa všeobecnej chemickej reakcie:

Plynným produktom je vysokohorľavý plyn obsahujúci hlavne vodík a oxid uhoľnatý s malým obsahom oxidu síričitého a vodnej pary. Vysokohorľavý plyn, bez dioxínov, furánov a NO_x-ov [10,11], ktorý sa svojím zložením podobá reformovanému plynu, v minulosti vyrábaného v plynárňach, má 1/4 až 1/3 výhrevnosti zemného plynu a je ho možné využiť ako palivo v kogeneračných jednotkách na výrobu elektrickej energie a tepla alebo pri výrobe tepla v klasických kotolniach. V relatívne malom objeme odchádzajúcich spalín sa môžu nachádzať pary kovov s nízkym bodom varu ako napr. Hg, Cd, Zn a Pb, ktoré sa dajú efektívne zachytiť s vysokou účinnosťou vo filtračnom zariadení. Nesplynené inertné zložky odpadu sa roztavia a vytvoria na dne plazmového reaktora dve nemiešateľné kvapalné fázy - trosku a kov [13-17].

Chemické zloženie trosky a kovu, ktorých objem nepresahuje 2 hm.% pôvodného objemu odpadu závisí od zloženia komunálneho odpadu. Zachytené úlety a vyredukovaný kov je možné využiť ako druhotnú surovinu pri výrobe kovov a inertnú ekologicky nezávadnú trosku s nízkym obsahom ťažkých kovov je možné využiť v stavebníctve.

3. Výhody a nevýhody zneškodňovania odpadov v plazmovom reaktore

1. V plazmovom reaktore je možné splynovať tuhé a kvapalné odpady priamo bez zložitejších úprav.
2. Pri vysokých teplotách pomocou UV žiarenia a chemicky aktívnej termálnej plazmy sa dosiahne vysokoúčinný rozklad toxických zlúčenín typu PCB, PCDD, PCDF a ďalších zlúčenín na jednoduché molekuly.
3. Plynným produktom pyrolýzy je vysokohorľavý plyn s relatívne malým objemom ale s vysokým obsahom vodíka a oxidu uhoľnatého, ktorý sa dá po jednoduchom vyčistení využiť v kogeneračných jednotkách na výrobu elektrickej a tepelnej energie.
4. Spaliny odvádzané z kogeneračnej jednotky do ovzdušia neobsahujú žiadne škodliviny a spĺňajú požadované emisné limity.
5. Tuhé a kvapalné produkty pyrolýzy, ktorých objem nepresahuje viac ako 2 hm.% pôvodného objemu sú úlety s obsahom prchavých kovov a ich zlúčenín, kovová zliatina a inertná ekologicky nezávadná troska, ktorá sa dá využiť v stavebníctve. Úlety a kovová zliatina sa môžu spracovať v hutníckych závodoch ako druhotná surovina.
6. Jednoduchšia konštrukcia a obsluha zariadenia ako zariadenia spaľovní, s čím súvisia nižšie investičné a prevádzkové náklady.
7. Likvidácia odpadov v plazmovom reaktore je prakticky bezodpadová technológia s minimálnym vplyvom na životné prostredie.

Nevýhoda tejto technológie je vysoká energetická náročnosť, ktorá sa dá čiastočne eliminovať využívaním energie spalín v kogeneračných jednotkách.

4. Technologická schéma a tepelná bilancia procesu
Technologická schéma splynovania komunálneho odpadu plazmovou technológiou je znázornená na obr.2. Zariadenie sa skladá z plazmového reaktora, v ktorom dochádza k pyrolýze organických a niektorých anorganických zlúčenín a roztaveniu inertných zložiek odpadu a časti kovov nachadzájúcich sa v odpade vytvoriac tak pyrolýzny plyn, kovovú zliatinu a inertnú ekologicky nezávadnú trosku. Druhá časť kovového odpadu, ktorú tvoria kovy s nízkym bodom topenia ako napr. Hg, Cd, Zn a Pb sa odparia a zachytia v čističke pyrolýzneho plynu ako úlet. Vyčistený pyrolýzny plyn s vysokým obsahom oxidu uhoľnatého a vodíka sa využije v kogeneračnej jednotke na výrobu elektrickej a tepelnej energie.

Obr.2 Technologická schéma splynovania komunálneho odpadu plazmovou technológiou

Použijúc údaje o energetickej bilancii splynovania komunálneho odpadu v plazmových reaktoroch [2,12,13] bola pre navrhnutú technologickú schému splynovania komunálneho odpadu, ktorá je uvedená na obr.2 vypočítaná energetická bilancia. Vypočítané hodnoty sú graficky znázornené na obr.3 ako energetická bilancia navrhnutého procesu. Z energetickej bilancie vyplýva, že pri splynovaní komunálneho odpadu využitím energetického potenciálu pyrolýzneho plynu je možné okrem tepelnej energie vyrobiť aj elektrickú energiu, ktorej množstvo je väčšie ako je spotreba plazmového reaktora, v ktorom pyrolýzny rozklad komunálneho odpadu prebieha.

Obr.3 Energetická bilancia splynovania komunálneho odpadu plazmovou technológiou

5. Záver
Množstvo nebezpečných ale aj komunálnych odpadov bude narastať a jeho ekologická likvidácia bude čoraz naliehavejšia. Ukladanie takýchto odpadov na skládkach je obmedzené, a tak bude čoraz viac narastať jeho likvidácia spaľovaní alebo plazmovým splynovaním. Vzhľadom na fyzikálno-chemickú podstatu dejov prebiehajúcich pri spaľovaní sa len ťažko a s vysokými nákladmi dajú zaistiť emisné limity a environmentálne neutrálne tuhé zbytky - škvára a popolček, a tak splynovanie ako jedna z možných alternatív bude mať pri likvidácii nebezpečných odpadov čoraz širšie využitie.

Poďakovanie
Táto práca vznikla za finančnej pomoci grantovej agentúry VEGA MŠ SR v rámci projektu č.1/7461/20.

Poděkování
Redakce TZB-info děkuje za souhlas k otištění autorům i Katedře energetiky VŠB TU Ostrava - pořadatelce letošní konference SPALOVÁNÍ A ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ, kde byl příspěvek přednesen.

Literatúra