PL189934B1 - Sposób utylizacji gazów pochodzących z procesów recyklingu termicznego odpadów komunalnych - Google Patents

Abstract

1. Sposób utylizacji gazów pochodzacych z procesów recyklingu termicznego odpa- dów komunalnych, znamienny tym, ze gazy odlotowe pochodzace z procesu zgazowania lub pirolizy odpadów komunalnych po ewentualnym schlodzeniu do pozadanej temperatu- ry kieruje sie do retencyjnego zbiornika mokrego z instalacja odkwaszajaca, a nastepnie do komory spalania silnika energetycznego obrotowego dostosowanego do spalania gazu, a uzy- skane spaliny korzystnie poddaje sie koncowemu oczyszczeniu. PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób utylizacji gazów pochodzących z procesów recyklingu termicznego odpadów komunalnych, szczególnie z procesu pirolizy.

Składowanie nieprzetworzonych stałych odpadów komunalnych i przemysłowych, różnego rodzaju osadów lub szlamów jest rozwiązaniem kosztownym, zajmującym rozległe tereny, nieobojętnym dla środowiska i wywołującym protesty mieszkańców. Stale poszukiwane są takie metody przeróbki odpadów, które umożliwiłyby istotne zmniejszenie ich objętości, ponowne gospodarcze wykorzystanie przynajmniej ich części, nie powodowałyby zanieczyszczenia atmosfery, wód i gleby, a przy tym byłyby jak najmniej kosztowne. W latach 1950-1990 rozwijane były cztery kolejne generacje metod termicznej utylizacji odpadów. Problemem pozostaje zawsze towarzysząca spalaniu odpadów emisja zanieczyszczeń do atmosfery.

Ogólnie można wyróżnić trzy metody ponownego wykorzystania odpadów komunalnych w recyklingu termicznym, tj. spalanie odpadów, zgazowanie i najnowocześniejsza z metod - piroliza. We wszystkich tych metodach dąży się do maksymalnego odzysku energii zawartej w odpadach.

Recyklingowi termicznemu mogą być poddawane wszystkie rodzaje odpadów, dodatkowo nie zachodzi potrzeba ani wstępnej segregacji odpadów, ani ich oczyszczania.

Zgazowanie odpadów polega na częściowym utlenieniu zawartych w nich składników organicznych w temp. 1350-1600°C pod ciśnieniem do 15 MPa. Jako czynnik utleniający stosuje się tlen, najczęściej w mieszaninie z parą wodną. Powstały wypuszczeniem do atmosfery. Koszty inwestycyjne instalacji do zgazowania odpadów komunalnych są znaczne i z tego powodu można przypuszczać, że proces ten będzie charakteryzował się mniejszą efektywnością ekonomiczną niż inne procesy przerobu odpadów.

W czasie spalania w typowych spalarniach następuje pełne utlenienie substancji organicznej, zawartej w odpadach, do dwutlenku węgla i wody z równoczesnym odzyskiem energii zawartej w surowcu w postaci ciepła. Ta ostatnia metoda, czyli wykorzystanie odpadów komunalnych jako stałego paliwa do produkcji energii cieplnej charakteryzuje się korzystnymi wskaźnikami sprawności termicznej. Odpady komunalne najczęściej spalane są w paleniskach rusztowych, niezbyt dogodnych w przypadku znacznej zawartości tworzyw sztucznych ze względu na oklejanie rusztu termoplastycznymi polimerami. Korzystniejsze jest więc stosowanie pieców rurowych obrotowych, w których zachodzi piroliza odpadów, połączona z równoczesnym spalaniem jej lotnych produktów pod kotłami parowymi. Spalanie można też prowadzić w paleniskach ze złożem fluidalnym (800-900°C). Spalanie odpadów tworzyw sztucznych w konwencjonalnych instalacjach do spalania śmieci nie rozwiązuje problemu, ponieważ

189 934 mogą temu procesowi towarzyszyć emisje gazów toksycznych, szkodliwych dla środowiska. Ponadto instalacje do spalania odpadów są bardzo kosztowne, jak również w przypadku przestoju czy awarii ponowny ich rozruch wymaga czasu i nakładów.

Najbardziej obiecującym i najnowocześniejszym sposobem likwidacji odpadów jest obecnie piroliza niskotemperaturowa. Piroliza jest procesem termicznej degradacji związków wielkocząsteczkowych i przebiega bez dodatku innych surowców chemicznych. Metoda ta jest o tyle ciekawa, że nie tworzą się odpadowe popioły, a jedynie koksik wytlewny, będący niskokalorycznym, wysokopopiołowym paliwem lub dodatkiem stosowanym w przemyśle budowlanym. Budowa nowych instalacji do pirolizy odpadów sztucznych jest przedsięwzięciem wymagającym znacznych nakładów inwestycyjnych, wynikających nie tylko ze skomplikowanej konstrukcji reaktora do pirolizy, ale głównie układu do odbioru, oczyszczania i kondensacji produktów lotnych. W literaturze opisano liczne instalacje badawcze, pilotowe i demonstracyjne do pirolizy odpadów, w których dokonuje się odzysku lotnych produktów pirolizy, stosowanych częściowo lub całkowicie do ogrzewania pieca do pirolizy. Do prowadzenia procesu wykorzystuje się różne typy reaktorów, głównie obrotowe piece bębnowe, piece tunelowe lub pionowe reaktory ze złożem ruchomym albo fluidalnym. W niektórych przypadkach, w razie braku bezpośrednich powiązań z odbiorcami, uzyskiwany w procesie gaz opałowy wykorzystuje się po oczyszczeniu do ogrzewania pieca do pirolizy i/lub spala w pochodni. W szeregu znanych rozwiązań gaz pirolityczny po wyjściu z pieca odpływa do cyklonów, gdzie jest pozbawiany znacznej części zanieczyszczeń stałych. Następnie gaz kieruje się do komory paleniskowej, w której panuje temperatura rzędu 1250°C. Część spalin z komory spalania kierowana jest do komór grzewczych pieca pizolitycznego, a część do kotła odzysknicowego. W kotle odzysknicowym generowana jest para wodna, która rozpręża się następnie w turbinie przeciwprężnej. Spaliny opuszczające kocioł odzysknicowy poddaje się działaniu węglanów sodu i węgla aktywnego i dodatkowo przed wypuszczeniem do atmosfery odpyla się je w filtrach workowych.

Ograniczona liczba wysypisk, zwiększająca się ilość odpadów, wzrost cen składowania, a także protesty mieszkańców przeciw zakładaniu nowych sprawiają, że coraz większa ilość odpadów trafia do spalarni. Chociaż spalarnie skutecznie przyczyniają się do redukcji objętości odpadów, są jednak źródłem znacznego zanieczyszczenia środowiska naturalnego. Krytyce poddawane jest szczególnie spalanie odpadów z PVC i towarzyszące temu procesowi wydzielanie HC1 i związków chloroorganicznych, szczególnie silnie toksycznych dioksyn. Dioksyny, od czasu wypadku w Seveso w 1976 r. oraz wykrycia ich w popiołach lotnych i gazach holenderskiej spalarni śmieci w 1977 r. stały się centralnym punktem wszelkich dyskusji ekologicznych.

Ponadto przy spalaniu tworzyw sztucznych powinno eliminować się ze składu spalanej mieszaniny PVC i PET nie tylko z w/w powodu, ale również ze względu na małą opłacalność ich spalania.

W odpadach komunalnych znajdują się odpady o najróżniejszym charakterze. Bez względu na fakt, czy procesowi utylizacji poddaje się odpady wstępnie segregowane czy też niesegregowane, w pozostałościach, które nie ulegają spaleniu pozostają substancje trujące np. rtęć, kadm, polon. Również gazy kominowe zawierają duże ilości siarki, pewne ilości dioksyn oraz związki lotne powstałe z metali nieulegających spaleniu jak rtęć, kadm i polon. Powstające w procesach termicznych chlorki metali ciężkich są katalizatorami wtórnego tworzenia się dioksyn i innych toksyn. Im dłuższy jest czas kontaktu gorących gazów odlotowych z powierzchnią metalowych aparatów stosowanych do oczyszczania gazów odlotowych (piece spalające, gorące cyklony itd.), tym bardziej zwiększa się możliwość powstawania wtórnych dioksyn. Równocześnie gazy odlotowe muszą być oczyszczane przed wypuszczeniem do atmosfery. Powstaje w tej sytuacji kolizja interesów, której dotychczas nie udało się rozwiązać.

Poszukując metod pozwalających na rozwiązanie tego problemu z równoczesnym dobrym wykorzystaniem energii tkwiącej w gazach odlotowych i wielokrotnie niższym koszcie aparatury opracowano sposób według wynalazku. Sposobem według wynalazku gazy odlotowe pochodzące z procesu zgazowania czy pirolizy odpadów komunalnych ewentualnie ochładza się do pożądanej temperatury, przy czym poziom schłodzenia jest dowolny i uwarunkowany jedynie opłacalnością odzysku ciepła z gazów. Po ewentualnym schłodzeniu gazy kieruje się do retencyjnego zbiornika mokrego z instalacją odkwaszającą. Najlepiej do tego celu

189 934 nadaje się zmielony kamień wapienny. Kontaktując się z alkalicznym roztworem wodnym lub wodą w obecności soli alkalii lub roztworów alkalicznych gaz ulega odkwaszeniu. Korzystnie jest realizować ten proces poprzez zraszanie wewnętrznych ścian zbiornika retencyjnego, gdyż chroni się je przed destrukcyjnym działaniem gazu, a równocześnie zmniejsza się powierzchnię kontaktu gazu z powierzchnią zbiornika. Jako pozostałość po oczyszczaniu gazu w zbiorniku gromadzą się sole metali ciężkich, rtęć, pyły, dioksyny oraz inne chloropochodne i aromatyczne zawarte w gazach opuszczających instalację po procesach recyklingu termicznego. Zawartość zbiornika retencyjnego poddaje się okresowemu oczyszczaniu w procesach chemicznych. Tak oczyszczony gaz kieruje się do komory spalania silnika energetycznego obrotowego dostosowanego do spalania gazu i zaopatrzonego w katalizator typowy dla rodzaju użytego silnika.

Silniki takie, ze względu na powszechność użycia są konstrukcjami wydajnymi, emitującymi małe ilości zanieczyszczeń. Podłączenie do takiego silnika prądnicy pozwala na uzyskanie w agregacie 3,5 do 5,0 kWh z 1 kg paliwa. Rozrzut związany jest z nowoczesnością zastosowanej konstrukcji i sposobem jej eksploatacji. Uzyskana energia może być wykorzystana do dowolnego celu, bowiem nie różni się od energii uzyskanej z klasycznego paliwa silnikowego czy oleju pędnego. Spaliny z silnika zawierają typowe zanieczyszczenia.

Sposób według wynalazku pozwala na recykling termiczny odpadów komunalnych, które nie nadają się do powtórnego wykorzystania. Uzyskane efekty energetyczne są wysokie, a koszty inwestycyjne niskie. Gazy wydechowe pozbawione są szczególnie niebezpiecznych dla środowiska toksyn. Ponadto zwiększenie skali procesu poprzez zastosowanie silników wysokiej mocy nie powoduje wydłużenia procesów jednostkowych przy równoczesnym wielokrotnym zwiększeniu przerobu. Można również w celu poprawienia ekonomiki procesu (w porównaniu do stanu techniki) ustawiać szeregowo moduły silnikowe i uruchamiać tylko ich część w zależności od potrzeb, czyli ilości odpadów przeznaczonych do utylizacji. Sposób według wynalazku jest rozwiązaniem bazującym na całkowicie nowym podejściu do tematu recyklingu termicznego odpadów komunalnych. Dotychczas funkcjonowała zasada jak najgłębszego oczyszczenia gazów odlotowych przy pomocy wieloetapowych, skomplikowanych i drogich procesów.

Przykład I.

Aparatura: piec pirolityczny połączony rurą poprzez chłodnicę powietrzną ze zbiornikiem wyporowym mokrym pojemności 500 1. Gazy ze zbiornika zasilają agregat prądotwórczy o mocy 2,5 kWA dostosowany do spalania gazu z butli.

Do pieca załadowano 30 kg śmieci, a następnie ogrzewano do maksymalnej temperatury przez 4 godziny. Uzyskane gazy studzono do temperatury 180°C, po czym kierowano je do zbiornika retencyjnego gazu. W zbiorniku retencyjnym znajdował się 1% roztwór wodorotlenku sodowego. Gaz ze zbiornika retencyjnego kierowano do silnika agregatu, przy czym uzyskano zmienną w czasie moc agregatu, wahającą się w granicach 60-95%. Spalin nie przepuszczano przez katalizator. Analiza spalin wykazała, iż skład ich jest zbliżony do typowych spalin silników napędzanych paliwem gazowym. Po zakończeniu pirolizy i zużyciu zgromadzonego gazu agregat wyłączono. Uzyskano: 10,1 kW energii elektrycznej, 14 kg koksiku popirolitycznego i z roztworu wód zbiornika wydzielono 2,4 kg mętnej, ciemnej cieczy organicznej o słabej woni amoniaku. W wodach zbiornika oznaczono zawartość chloru: 0,141%, co przy 30 kg śmieci świadczy o obecności w nich chloru w stężeniu 2,35% (folie, butelki i etykiety z PVC).

Przykład II.

Aparatura: piec pirolityczny połączony bezpośrednio ze zbiornikiem wyporowym mokrym o pojemności 500 1. Do basenu zbiornika załadowano 500 1 wody i około 50 kg kamienia wapiennego w kawałkach różnej wielkości. Gazy ze zbiornika zasilały agregat prądotwórczy o mocy 2,5 kWA, dostosowany do spalania gazu z butli i wyposażony w katalizator spalin oraz płuczkę z zawiesiną 1 kg kredy w 15 kg wody.

Do pieca załadowano 30 kg śmieci, w tym stłuczony termometr, a następnie włączono ogrzewanie. Uzyskane gazy wpuszczano bezpośrednio do zbiornika gazów, przy czym pod kopułą zbiornika uruchomiono fontannę - woda pompowana na obieg. W czasie pirolizy trwającej 5 godzin gazy ze zbiornika kierowano do silnika agregatu. Uzyskano zmienną w czasie

189 934 moc zawartą w granicach 50-80%. Spaliny po przepuszczeniu przez katalizator płukano w płuczce po zestudzeniu ich do temperatury 100-150°C. Po 5 godzinach trwania pirolizy uzyskano: 9,2 kW energii elektrycznej, 14,6 kg koksiku popirolitycznego. Wody ze zbiornika i z płuczki poddano analizie uzyskując wyniki: 496,6 kg wody, 0,141% chloru a w płuczce - 0,003% chloru w 15 kg wody, co w przeliczeniu na 30 kg śmieci daje zawartość 2,35%. Ponadto z wód zbiornika wydzielono 2,7 kg cieczy organicznej o słabym zapachu amoniaku i 0,26 g rtęci w postaci drobnych kropli. Analiza spalin wykazała, iż skład ich jest zbliżony do typowych spalin silników napędzanych paliwem gazowym.

Przykład III.

Aparatura: piec pirolityczny połączony poprzez wężownicowy wymiennik ciepła z wyporowym zbiornikiem o pojemności 500 1. Do wody zbiornika wrzucono 2 kg drobno zmielonego dolomitu. Gazy ze zbiornika zasilały agregat prądotwórczy o mocy 2,5 kWA, dostosowany do spalania gazu z butli i wyposażony w katalizator spalin. Wydech spalin poprzez wodną chłodnicę spiralną podłączono do płuczki z zawiesiną 1 kg zmielonego marmuru w 15 kg wody.

Do pieca załadowano 20 kg koksiku popirolitycznego zmieszanego z 10 kg śmieci, a następnie ogrzewano przez 5 godzin, przy czym po 40 minutach od początku ogrzewania wkroplono do pieca wodę zamienianą w parę w tempie około 2 kg/godz. Gaz poprzez chłodnicę wężownicową wodną wprowadzano do zbiornika retencyjnego. Pod kopułą zbiornika uruchomiono fontannę - zawiesinę dolomitu pompowaną na obieg. Gaz ze zbiornika kierowano do silnika agregatu i w czasie próby trwającej 5 godzin zasilano nim agregat uzyskując zmienną w czasie moc zawartą w granicach 35-65% jego mocy. Spaliny po przepuszczeniu przez katalizator schładzano w drugiej wodnej chłodnicy wężownicowej, po czym wprowadzano do płuczki, gdzie kontaktowano je z zawiesiną marmuru, po czym uwalniano do atmosfery. Zapach spalin skontrolowano kilkakrotnie organoleptycznie. Stwierdzono, iż zapach był „duszny”, „gorący” i „mokry” - bez specyficznych domieszek. Uzyskano: 6,0 kW energii elektrycznej, 20,4 kg koksiku.

Wody z płuczki i zbiornika retencyjnego poddano analizie uzyskując następujące wyniki: 500 kg wód w zbiorniku retencyjnym o zawartości chloru 0,047%, z płuczki 16 kg wód o zawartości chloru 0,001%, co w przeliczeniu na 10 kg śmieci daje zawartość chloru w śmieciach 2,35%), a jednocześnie świadczy o nieobecności chloru w koksiku. ponadto z wód ze zbiornika odzyskano 0,7 kg ciemnej oleistej cieczy organicznej. Rtęci nie znaleziono.

189 934

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz Cena 2,00 zł.

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób utylizacji gazów pochodzących z procesów recyklingu termicznego odpadów komunalnych, znamienny tym, że gazy odlotowe pochodzące z procesu zgazowania lub pirolizy odpadów komunalnych po ewentualnym schłodzeniu do pożądanej temperatury kieruje się do retencyjnego zbiornika mokrego z instalacją odkwaszającą, a następnie do komory spalania silnika energetycznego obrotowego dostosowanego do spalania gazu, a uzyskane spaliny korzystnie poddaje się końcowemu oczyszczeniu.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że spaliny poddaje się końcowemu oczyszczeniu na katalizatorze typowym dla rodzaju użytego silnika.
3. 3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że spaliny poddaje się końcowemu oczyszczeniu od chlorowodoru przez absorpcję.