Źródła energii odnawialnej Zasoby energii pierwotnej w Polsce Energia odnawialna, stan i perspektywy Energia słoneczna Energia geotermalna Energia wiatru Energia wodna Biomasa Termiczna utylizacja odpadów komunalnych Podsumowanie Literatura Wyszukiwarka |
Termiczna utylizacja odpadów komunalnychNarastająca góra odpadów komunalnych stwarza konieczność opracowania skutecznego i ekologicznego systemu zarządzania odpadami, jak również zmusza do szerszego rozwiązania tego problemu, wykraczając poza działania jedynie lokalne. W Polsce roczną 'produkcję' odpadów oficjalnie zarejestrowanych ocenia się na około 13 mln ton. Jak bardzo zaniedbano gospodarkę odpadami, można ocenić analizując stopień ich przetworzenia. Dane statystyczne wskazują, że 98 % odpadów komunalnych jest składowana w najbardziej prymitywnej formie na wysypiskach. W większości przypadków nie są one właściwie kontrolowane i stanowią zagrożenie ekologiczne. Kompostowaniu poddaje się jedynie 1,5 % odpadów, a zaledwie 0,5 % odzyskuje się w wyniku ich selektywnej zbiórki.Rozwiązania problemu odpadów komunalnych szukano już pod koniec XIX wieku, gdy zorientowano się, że ciągłe ich składowanie w dłuższej perspektywie nie jest rozwiązaniem satysfakcjonującym. Pierwsza instalacja do spalania śmieci z możliwością odzysku energii ze spalania powstała w Anglii w 1897 roku. W Polsce działały do tej pory jedynie dwie spalarnie śmieci w pierwszej połowie XX wieku. Pierwsza została oddana do użytku w Warszawie w 1912 roku. Posiadała wydajność 10 000 ton rocznie. Działała nie przerwanie do roku 1944, w którym została zniszczona podczas Powstania Warszawskiego. Drugą spalarnię śmieci wybudowano w Poznaniu w 1927 roku. Instalacja produkowała energię cieplną na potrzeby miasta. Została ona zlikwidowana w 1955 roku. Państwa Europy Zachodniej postawiły w różnym stopniu na instalacje termicznej utylizacji śmieci. Należy zaznaczyć, że do początku lat osiemdziesiątych nie brano pod uwagę ochrony środowiska naturalnego. Węzły oczyszczania i neutralizacji spalin funkcjonowały na tej samej zasadzie co w latach pięćdziesiątych.Tabela 1obrazuje zakres wykorzystania spalarni odpadów komunalnych w poszczególnych państwach Europy. W Europie Wschodniej spalarnie odpadów są rzadko stosowane, a ich poziom technologiczny daleko odbiega od nowoczesnych konstrukcji. W Polsce w chwili obecnej nie działa ani jedna spalarnia odpadów komunalnych. Natomiast pierwszą tego typu instalacja w kraju budowana jest w Warszawie. W wyniku wieloletnich doświadczeń w zakresie utylizacji odpadów został opracowany model gospodarki odpadami komunalnymi. Jego konstrukcję oparto o kilka metod uwzględniających wymogi ekologiczne. Zastosowanie takiego modelu zapewnia możliwość utylizacji szerokiego spektrum odpadów z jednoczesnym odzyskiem surowców użytecznych i energii. Model taki opiera się o następujące metody utylizacji: - odzysk surowców wtórnych u źródła ich powstawania (metoda ta wymaga szerokiego zaangażowania się społeczeństwa), - przetwarzanie na kompost selektywnie pozyskanych frakcji organicznych i biologicznych, - wydzielenie odpadów niebezpiecznych i osobna ich utylizacja lub dalsze przetworzenie, - utworzenie tzw. centrum recyklingu, które ostatecznie kontroluje i przekazuje dalej selektywnie gromadzone surowce wtórne, - termiczna utylizacja odpadów z wykorzystaniem odzysku energii, - utworzenie kontrolowanych składowisk przetworzonych odpadów. Rysunek 1 przedstawia miejsce termicznej utylizacji odpadów w ogólnym modelu ich kompleksowego zagospodarowania. Termicznej utylizacji poddaje się tylko te odpady, które straciły własności użytkowe, a reprezentują jedynie walory energetyczne. Zastosowanie tej metody oprócz korzyści w postaci uzyskanej energii, daje również istotne zmniejszenie masy i objętości odpadów. W wyniku spalania masa odpadów zmniejsza się do około 30 %, a ich objętość do 10% wartości początkowych. Ponadto uzyskuje się dodatkowe efekty w postaci: - redukcji toksycznych organicznych i nieorganicznych substancji, - neutralizacji produktów spalania, zarówno stałych jak i gazowych, - bezpiecznego składowania unieszkodliwionych stałych produktów spalania, - uzyskania energii zawartej w odpadach, a tym samym zmniejszenie zapotrzebowania na konwencjonalne nośniki energii. W systemie w, którym funkcjonuje spalarnia śmieci, termicznej utylizacji poddawana jest znaczna część odpadów. Zakłada się konieczność jak największego wykorzystania odpadów w postaci surowców wtórnych i kompostu. Jednak pomimo wieloletnich doświadczeń w tej dziedzinie w krajach zachodnich stopień ich udziału sięga jedynie 15 %, a wartość docelową ustalono na poziomie 20 % masy odpadów. Dane te stawiają pod znakiem zapytania program zagospodarowania odpadów dla gminy Kraków, gdzie zakłada się, że w roku 2005 sumaryczny odzysk surowców wtórnych i biomasy wyniesie około 30%. Zastosowanie termicznej utylizacji odpadów musi być poparte odpowiednią ilością producentów odpadów czyli mieszkańców danego rejonu, z którego będzie zasilana spalarnia. Aby budowa spalarni śmieci była sensowna przyjęto, że muszą być spełnione następujące warunki: - minimalna wydajność spalarni powinna być na poziomie 60 000 ton odpadów rocznie, gdyż wtedy będzie ona ekonomicznie uzasadniona, - średnia produkcja odpadów przypadająca na jednego mieszkańca powinna wynosić rocznie około 300 kg, - zakłada się odzysk surowców wtórnych na poziomie 25 %, co oznacza, że pozostała część odpadów jest całkowicie przeznaczona do spalania (75 %). Stosując powyższe założenia można określić wymaganą ilość mieszkańców, przy której budowa spalarni śmieci jest uzasadniona, na około 270 000. Spalanie odpadów oprócz swoich niewątpliwych zalet stwarza również pewne zagrożenie. Złożoność i duża niejednorodność odpadów powoduje proces tworzenia się toksycznych substancji niebezpiecznych dla ludzi i środowiska naturalnego. Nowoczesne spalarnie zasadniczo różnią się w swojej konstrukcji od tych z lat siedemdziesiątych. Wówczas były one nastawione jedynie na radykalną redukcję ilości odpadów i pozyskania energii cieplnej lub elektrycznej. Gazy odlotowe były zupełnie zaniedbywane pod względem ich oczyszczenia. Obecnie w spalarniach opartych na palenisku rusztowym spalanie prowadzi się w sposób kontrolowany, tak aby ograniczyć do minimum powstające szkodliwe substancje dla człowieka i środowiska. Określono konkretne wymagania jakim ma sprostać nowoczesna spalarnia, głównie w sensie jej ekologicznej strony. Należą do nich: - właściwy strumień i temperatura podawanego powietrza pierwotnego, a w najnowszych konstrukcjach powietrza wzbogaconego w tlen, - odpowiednia konstrukcja rusztu, tak aby powietrze pierwotne miało swobodny dostęp w całej strefie reakcji, - odpowiednie przemieszczanie i podawanie odpadów co ma ograniczyć udział części nie spalonych w żużlu i przesypów przez ruszt poniżej 1 % całkowitej masy żużla, - odpowiednie ukształtowanie komory paleniskowej zapewniającej właściwe wymieszanie niedopalonych spalin i powietrza wtórnego, ma to na celu zapewnienie temperatury spalin na poziomie nie niższym niż 850 °C, czas przebywania spalin w tej temperaturze musi wynosić co najmniej 2 sekundy, przy minimalnej zawartości tlenu równej 6 %, - utrzymywanie wymaganego stanu powierzchni wymiany ciepła w kotle utylizatorze, ma to zapewnić optymalizację procesu wymiany ciepła i ograniczyć efekt rekombinacji dioksyn. Ponadto warunkiem niezbędnym jest zastosowanie wysokosprawnego węzła oczyszczania i neutralizacji spalin. Jest to trudne do osiągnięcia ze względu na zróżnicowany i zmienny w czasie skład odpadów. Zastosowane metody oczyszczania spalin muszą być efektywne nawet w warunkach istotnych zmian koncentracji substancji szkodliwych w gazach odlotowych, tak aby ich końcowe stężenie odpowiadało obowiązującym normom. Instalacja musi być również wyposażona w urządzenia do przerobu i unieszkodliwiania stałych produktów spalania, czyli żużli, pyłów i popiołów, a także ścieków pozostających po procesie oczyszczania spalin. Tabela 2 przedstawia dopuszczalne stężenia substancji szkodliwych w gazach odlotowych w porównaniu z wartościami osiąganymi w nowoczesnej spalarni śmieci. Jedną z podstawowych zalet spalarni odpadów komunalnych jest możliwość odzysku ciepła wytwarzanego w procesie spalania. Spalarnie funkcjonują jako elektrownie, ciepłownie lub elektrociepłownie. W zależności od uzyskiwanej formy energii stosuje się dwa rodzaje kotłów utylizujących ciepło spalin: parowe lub wodne. W kotłach parowych produkuje się parę nasyconą lub przegrzaną. W typowej instalacji temperatura pary wynosi około 400 °C, a ciśnienie 40 bar. Spalając jedną tonę odpadów można uzyskać od 2,5 do 3,5 ton pary. Wartości te są uzależnione od wartości opałowej odpadów oraz pożądanych parametrów pary. Tabela 3 przedstawia wartości opałowe odpadów komunalnych w wybranych krajach. Jak widać wartość ta może zmieniać się w szerokich zakresach od 4 200 do 11 200 kJ/kg. Najbardziej efektywne w działaniu są instalacje pracujące w skojarzeniu, to jest produkujące energię cieplną i elektryczną. Zakład utylizacji odpadów zużywa część wyprodukowanej energii elektrycznej na potrzeby własne (jest to około 0,09 MWh/Mg spalonych odpadów o wartości opałowej równej 9 000 kJ/kg). Nadwyżka energii jest kierowana do krajowej sieci energetycznej. Przyjmuje się, że proces spalania odpadów z odzyskiem ciepła jest efektywny gdy wartość opałowa przekracza 5 800 kJ/kg. Jest to tzw. granica autotermicznego spalania, czyli takiego, które nie wymaga użycia paliwa wspomagającego. Odpady z dużych polskich miast spełniają ten warunek, może on być jednak nie dotrzymany w przypadku małych gmin. Zauważalny jest również wzrost wartości opałowej polskich odpadów komunalnych jak również ich ilości. Przykłady państw Europy Zachodniej pokazują, że odpowiedniej wielkości spalarnia odpadów może pokryć nawet 50 % zapotrzebowania na energię cieplną miasta. Jednym z najpoważniejszych problemów jaki występuje podczas eksploatacji spalarni odpadów jest emisja dioksyn do atmosfery. Problem ten jest wciąż aktualny i nie należy go lekceważyć. Historia XX wieku zna przypadki kilku dużych katastrof ekologicznych, które powstały w wyniku uwolnienia się dużych ilości tych związków do atmosfery, gleby i wody. W ogólnej masie odpadów znajduje się pewna część pochodzenia chemicznego. Są to przeważnie tworzywa sztuczne i inne związki chemiczne zawierające takie pierwiastki jak chlor, brom czy fluor. Podczas procesu spalania ulegają one niekontrolowanym reakcjom, tworząc toksyczne związki organiczne, a wśród nich chloropochodne z grupy związków aromatycznych określane jako polichlorowane dibenzoparadioksyny (PCDDs) oraz dibenzofruany (PCDFs). Skrótowo związki te nazywa się dioksynami. Związkiem o największej toksyczności ze wszystkich izomerów dioksyn jest tetrachlorodibenzoparadioksyna (TCDD), w którego budowie atomy chloru zajmują pozycję 2,3,7,8. Dioksyna ta jest 10 000 razy bardziej trujące niż cyjanek potasowy. To porównanie wskazuje jak ważne jest minimalizowanie emisji tych substancji do środowiska naturalnego. Aby właściwie ocenić toksyczność tych związków wprowadzono wskaźnik ekwiwalentnej wartości toksyczności ich jednostki masy (przeważnie ng, 10-9) I-TEQ (International Toxic Equivalent). Każdy izomer ma przypisany współczynnik toksyczności. Najbardziej toksyczny izomer dioksyny 2,3,7,8 TCDD ma współczynnik równy 1. Ekwiwalentną toksyczność próbki otrzymuje się przez sumowanie iloczynów udziału masowego poszczególnych izomerów PCDDs i odpowiadających im współczynników toksyczności. Określoną w ten sposób wartość masy odnosi się do jednostki objętości lub masy produktów spalania odpadów. Dioksyny nigdy nie były wytwarzane celowo ponieważ nie znajdują zastosowania w jakimkolwiek procesie technologicznym. Źródłem dioksyn, oprócz spalania odpadów są również inne procesy obróbki cieplnej i spalania. Wśród nich największe zagrożenie stwarzają: - procesy obróbki metali kolorowych, a w szczególności aluminium, - domowe paleniska pieców węglowych, - elektrownie konwencjonalne, opalane węglem kamiennym z zawartością związków chloru. Silniki spalinowe pojazdów mechanicznych emitują do otoczenia od 1 do 20 ng I-TEQ/m3 dioksyn, a w dymie papierosowym ich zawartość wynosi około 1 ng I-TEQ/m3. Tymczasem norma dla spalarni odpadów wynosi 0,1 ng I-TEQ/m3. Selektywna zbiórka odpadów obejmująca również tworzywa sztuczne nie jest w stanie całkowicie wyeliminować prekursorów dioksyn. Do spalania kieruje się celowo te tworzywa sztuczne, które nie nadają się do recyklingu. Szczególne przyczyny powstawania dioksyn to spalanie tworzyw sztucznych w temperaturze powyżej 300°C, przy nadmiarze powietrza, a także proces ochładzania gazów spalinowych - niezbędny dla odzysku ciepła - zachodzący w zakresie temperatur od 250 do 300°C. Głównym prekursorem dioksyn jest polichlorek winylu PCW, który w wyniku konwersji termicznej przechodzi wprost w dioksyny PCDDs/PCDFs. Synteza dioksyn z PCW zachodzi optymalnie w typowych temperaturach spalania odpadów tj. 300 - 800°C. Rysunek 2 przedstawia procentowy rozkład całkowitej masy dioksyn, od momentu ich powstania w procesie spalania. Jak widać 95 % dioksyn kumuluje się w gazach spalinowych, popiołach i pyłach lotnych. Cały ten strumień kierowany jest do węzła oczyszczania spalin. W wyniku oczyszczania i neutralizacji osiąga się poziom redukcji emisji dioksyn do atmosfery wynoszący ponad 99 %. Wówczas emisja dioksyn w gazach odlotowych kształtuje się na poziomie 0,001 ng I-TEQ/m3, przy obowiązującej normie 0,1 ng I-TEQ/m3. W polskich warunkach przewiduje się budowę spalarni o wydajności 100 000 Mg odpadów rocznie. Rysunek 3 przedstawia ilości emitowanych dioksyn dla instalacji o wydajności 120 000 Mg/rok. W nowoczesnych spalarniach poziom emisji dioksyn wynosi 0,01 g/rok. Największego zagrożenia należy dopatrywać się w nieodpowiednio unieszkodliwionych popiołach i pyłach lotnych, w których zawartość dioksyn może sięgać kilku tysięcy ng I-TEQ/kg. Substancje te są składowane w suchych wyrobiskach kopalń soli (Niemcy) lub wiązane z żużlem i cementem tworząc tzw. słaby beton (Austria). Metody pierwotne redukcji dioksynPierwotne metody redukcji dioksyn polegają na realizacji procesu spalania w taki sposób aby ograniczyć ich powstawanie. Jest to możliwe dzięki poznaniu mechanizmów ich syntezy. W ten prosty sposób można osiągnąć znaczną redukcję powstających dioksyn.O ich stężeniu na wyjściu komory spalania decyduje: - dynamika pierwszej fazy spalania, konieczność pozostawania spalin przez pewien czas w temperaturze 850 - 900°C, - przebieg dopalania w wysokiej temperaturze (1200°C), - recyrkulacja gazów spalinowych, temperatura i turbulencja powietrza pierwotnego i wtórnego, - warunki schładzania gazów spalinowych w zakresie temperatur od 240 do 300°C - ma to istotny wpływ na stopień rekombinacji dioksyn. Zastosowanie samych tylko metod pierwotnych nie obniża stężenia dioksyn do poziomu prawnie wymaganego. W praktyce uzyskuje się wartości od 0,6 do 2,0 ng I-TEQ/m3. Dlatego konieczne jest zastosowanie metod wtórnych. Metoda SNCR (Selective Noncatalytic Reduction) polega na bezpośrednim wtrysku w przestrzeń gazów spalinowych 25 % aerozolu roztworu amoniaku przez odpowiednio rozmieszczone dysze. Metoda ta jest zaliczana do pierwotnych ze względu na to, że hamuje skutecznie proces rekombinacji dioksyn. Stosowanie SNCR ogranicza powstawanie dioksyn o 50 do 80 %. Stosowanie metod wtórnych polega na tworzeniu produktu odpadowego o bardzo wysokim stężeniu dioksyn. Powstały w ten sposób balast musi być podlegać kolejnemu procesowi unieszkodliwienia. Do podstawowych metod wtórnych należą: - metody strumieniowo-sorpcyjne (53 % zastosowań), - metody katalityczne (33 % zastosowań), - metody filtrów złożowych opartych na węglu aktywnym (15 % zastosowań), - kombinacje ww. metod. Najszersze zastosowanie spośród wtórnych metod redukcji dioksyn znalazły metody strumieniowo-sorpcyjne, a w szczególności ich odmiana strumieniowo-pyłowa. Metody strumieniowo-sorpcyjne polegają na wprowadzeniu do strumienia spalin substancji sorpcyjnych, składających się najczęściej z węgla aktywnego i wapnia. Kompozycje te absorbują na powierzchniach węgla aktywnego dioksyny i w następnym etapie są wychwytywane wraz z popiołami lotnymi i pyłami przez filtry tkaninowe. Tak utworzony balast jest zawracany z powrotem do spalania. Stosując metodę strumieniowo-pyłową polegającą na wprowadzeniu do strumienia spalin mieszaniny wapnia i węgla aktywnego uzyskuje się efekt redukcji dioksyn na poziomie przekraczającym 99 %. Inną metodą wtórną jest metoda selektywnej redukcji katalitycznej SCR (Selective Catalytic Reduction). W metodzie tej do redukcji dioksyn stosuje się katalizatory ceramiczne o budowie komórkowej. Katalizator składa się z dwutlenku tytanu oraz komponentów aktywnych którymi są pięciotlenek wanadu i trójtlenek wolframu. Efektywność tej metody zależy od temperatury gazów spalinowych, ich strumienia i innych parametrów. Stopień redukcji dioksyn wynosi od 90 do 98 %. Metoda ta nie produkuje balastu dzięki swoistemu utlenieniu dioksyn w wyniku procesu ich odchlorowania. Najmłodszą metodą redukcji dioksyn jest metoda stosująca filtr ze złożem węgla aktywnego. Polega ona na adsorpcji dioksyn na rozbudowanych powierzchniach węgla aktywnego. Stosuje się węgle wyprodukowane z węgla kamiennego posiadające powierzchnię rzędu 1 000 m2/g. W złożu węgla aktywnego uzyskuje się także redukcje związków takich jak HCl, HF, SO2, NOx oraz metali ciężkich i pyłów. Zużyty węgiel aktywny trafia oddzielnym kanałem do komory spalania. Istnieje kilka rodzajów nowoczesnych technologii do termicznego unieszkodliwiania odpadów. Najszersze zastosowanie znajdują instalacje z paleniskiem rusztowym. Są one głównie stosowane w Europie, natomiast w Japonii duży udział mają instalacje ze spalaniem w różnych odmianach warstwy fluidalnej. Poszukiwane są również zupełnie nowe technologie spalania, których przykładem mogą być układy o spalaniu opartym na wykorzystaniu procesu quasi-pirolizy. Nowoczesne instalacje ze spalaniem na ruszcie posiadają następujące urządzenia i zespoły: - urządzenia podające odpady do leja zasypowego, - dozownik odpadów na ruszt, - palenisko z rusztem mechanicznym, pozuwisto-zwrotnym oraz urządzenia napędzające i doprowadzające powietrze pierwotne, - odżużlacz z zamknięciem wodnym, - system doprowadzający powietrze wtórne, mający na celu również jego odpowiednią dystrybucję i recyrkulacje spalin, - kocioł utylizujący ciepło spalin, - instalacje do produkcji energii cieplnej i/lub energii elektrycznej, - urządzenia odpylające (elektrofiltr lub filtr tkaninowy), - układy mokrego płukania spalin, - układ odazotowania spalin, - układ redukcji dioksyn i furanów, - urządzenia do oczyszczania i neutralizacji wód popłucznych oraz pozostałości poreakcyjnych, - system neutralizacji stałych produktów spalania. Cała instalacja jest monitorowana przez aparaturę kontrolno-pomiarową mającą za zadanie śledzenie przebiegu procesu spalania i stanu zanieczyszczeń w gazach odlotowych. Schemat typowej instalacji z paleniskiem rusztowym przedstawia rysunek 4. Zawiera on wszystkie wyżej wymienione elementy. Pojawiający się w znacznych ilościach żużel podlega dalszym procesom jego neutralizacji: oddzieleniu metali kolorowych i żelaznych oraz usunięciu soli. Po tych zabiegach jest on wykorzystywany jako surowiec budowlany. Popiół lotny występujący w mniejszych ilościach w zależności od rodzaju jego neutralizacji również może być wykorzystany w budownictwie, zestalony lub bezpiecznie składowany. Pomimo, iż instalacje z paleniskiem rusztowym są już rozwiązaniem klasycznym, dokonuje się prób modernizacji poszczególnych jej elementów. Nowe rozwiązania dążą w kierunku poprawy ekologiczności procesu spalania oraz podniesienia efektywności technicznej i ekonomicznej węzła oczyszczania spalin. Pewne efekty uzyskano poprzez wzbogacanie powietrza pierwotnego w tlen. Zmniejszono w ten sposób nadmiar powietrza z wartości 2,0 do 1,3. Częściowa recyrkulacja i dopalanie gazów spalinowych zmniejszyła strumień spalin o około 50 %, a tym samym osiągnięto zmniejszoną ilość transportowanych ze spalinami zanieczyszczeń. Spowodowało to obniżenie kosztów budowy i eksploatacji węzłów oczyszczania spalin. W układach oczyszczania spalin powraca się do technologii suchych lub ewentualnie półsuchych. Mają one podstawową zaletę: nie generują toksycznych ścieków, które trzeba oczyszczać, a więc odpadają koszty neutralizacji wód wykorzystywanych w metodach mokrych. Strona Główna |
|