4.5 Analýza a vyhodnocení možnosti aplikace nových technologií k energetickému využití odpadů

Transkript

1 4.5 Analýza a vyhodnocení možnosti aplikace nových technologií k energetickému využití odpadů

2 Obsah 1. Úvod Charakteristika rozkladných procesů termického zpracování odpadů Pracovní podmínky procesů termického zpracování odpadů Suroviny pro procesy termického zpracování odpadů Pracovní podmínky a teplotní režim procesů termického zpracování odpadů Pyrolýzní procesy zpracování odpadů Procesy zplyňování odpadů Reakce při zplyňování uhlíkatých materiálů Produkty zplyňování uhlíkatých materiálů Technologické řešení zplyňování odpadů Zplyňovací reaktory Technologická řešení procesu zplyňování Vysokoteplotní plazmové zplyňování odpadů Dosažitelné efekty pyrolýzy a zplyňování odpadů Využití produktů pyrolýzy a zplyňování k chemickým účelům Využití produktů pyrolýzy a zplyňování odpadů k energetickým účelům Přímé spalování energoplynu Výroba energie využitím tepelných strojů Srovnání literárních dat o produkci energie využitím pyrolýzních a zplyňovacích procesů pro zpracování odpadů Kvalita emisi z procesů termického rozkladu odpadů Současný stav ve výstavbě a realizaci provozních jednotek pyrolýzy a zplyňování odpadů Provozní jednotky pyrolýzy a zplyňování odpadů Realizované jednotky pyrolýzy a zplyňování odpadů Očekávané realizace nových zplyňovacích jednotek ve světě (bez plazmových technologií) Realizace plazmových technologie zplyňování odpadů Podklady pro ekonomickou analýzu Simulační výpočty dosažitelného zisku energie při alternativních způsobech zpracování odpadů Výchozí data pro simulační výpočty Výsledky simulačních výpočtů a jejich diskuse Dosažitelný příjem z exportu vyrobené energie Podklady k investiční a provozní náročnosti procesů termického zpracování odpadů Přednosti a negativa termických procesů pro zpracování odpadů Závěry Seznam použitých zkratek Seznam zdrojů Příloha 1: Výpočtové schéma varianty Ia. Využití energoplynu ke kombinované výrobě elektrické energie a tepla aplikací plynové turbíny a protitlaké odběrové parní turbíny Příloha 2: Výpočtové schéma varianty Ib. Využití energoplynu k výrobě elektrické energie aplikací plynové turbíny a kondenzační parní turbíny Příloha 3 Výpočtové schéma varianty IIa. Využití energoplynu k výrobě páry a následně ke kombinované výrobě elektrické energie a tepla aplikací protitlaké odběrové parní turbíny Příloha 4: Výpočtové schéma varianty IIb. Využití energoplynu k výrobě páry a následně k výrobě elektrické energie aplikací kondenzační parní turbíny Příloha 5 Výpočtové schéma varianty IIIa. Využití spalin z incinerace odpadu k výrobě páry a následně ke kombinované výrobě elektrické energie a tepla aplikací protitlaké odběrové parní turbíny Příloha 6 Výpočtové schéma varianty IIIb. Využití spalin z incinerace odpadu k výrobě páry a následně k výrobě elektrické energie aplikací kondenzační parní turbíny

3 Abstrakt Předložená studie se vztahuje k plnění bodu smlouvy č mezi společností Ernst & Young, s.r.o., jako objednatelem a Vysokým učením technickým v Brně jako dodavatelem a zabývá se analýzou a hodnocením možnosti aplikace technologií založených na procesech pyrolýzy, resp. zplyňování k termickému zpracování odpadů. Je podána základní charakteristika procesů termického zpracování odpadů, které jsou založeny na nedokonalém rozkladu hořlavého podílu ve zpracovávaném materiálu a jsou komentovány základní pracovní podmínky a využitelnost produktů nedokonalého rozkladu k chemickým a energetickým účelům. Bylo provedeno hodnocení stavu ve výstavbě a realizaci provozních jednotek pyrolýzy a zplyňování odpadů a dospělo se k závěru, že v Evropě se tyto procesy na termickém zpracování odpadů podílí pouze malou měrou (s celkovou zpracovatelskou kapacitou méně než 1 mil. t/ r), zatímco přímé spalování odpadů zůstává při energetickém využívání odpadů technologií převládající (cca 60 mil. t/r). Zjištěná data o výstavbě zařízení vysokoteplotního plazmového zplyňování odpadů ukazují, že po roce 2000 nastal ve světě vzestup v realizacích jednotek plazmového zplyňování odpadů a vybudovaná provozní zařízení s celkovou zpracovatelskou kapacitou cca 0,9 mil. t/r až na některé výjimky stále provozují. Při analýze možnosti aplikace technologií nedokonalého rozkladu pro zpracování odpadů byla věnována pozornost dosažitelnému energetickému zisku. Jelikož přímé srovnání literárně dostupných dat o výrobě energie je obtížné, neboť dílčí informace se vztahují sice ke konkrétním provozům, ovšem zpracovávajícím odlišné vstupní materiály za ne zcela shodných podmínek, byl v rámci studie proveden výpočet dosažitelné výroby energie alternativními způsoby termického zpracování odpadů. Byly srovnány dosažitelné zisky tepelné a elektrické energie při využití plynu produkovaného při zplyňování s efekty, které by poskytlo přímé spalování stejného výchozího odpadu.

4 Seznam tabulek Tabulka č. 1: Typické pracovní teploty procesů při termickém zpracování odpadů... 5 Tabulka č. 2: Srovnání základních pracovních charakteristik a využitelnosti termických procesů na zpracování uhlíkatých paliv a odpadů... 6 Tabulka č. 3: Výtěžky produktů při pyrolýze různých komponent tříděného komunálního odpadu [9]... 9 Tabulka č. 4: Typické koncentrační rozmezí hlavních složek plynného produktu při zplyňování biomasy se vzduchem [56] Tabulka č. 5: Provozní podmínky vybraných procesů plazmového zplyňování odpadů. Zpracováno na základě [22] Tabulka č. 6: Složení odpadu při zplyňování ATEKO (zpracováno dle [28] o složení vlhkého vzorku)22 Tabulka č. 7: Tvorba a složení energoplynu při zplyňování ATEKO [28] Tabulka č. 8: Požadavky na kvalitu plynu pro využití v plynových turbínách a plynových motorech [33] Tabulka č. 9: Povolené kvalitativní parametry pro plynové turbíny Capstone [34] Tabulka č. 10: Měrná produkce elektrické a tepelné energie při alternativních rozkladných procesech termického zpracování odpadů Tabulka č. 11: Typické dosahované koncentrace sledovaných znečišťujících látek v konečných exhalacích při termickém zpracování odpadů pyrolýzními nebo zplyňovacími procesy [22] Tabulka č. 12: Přehled významnějších realizovaných pyrolýzních a zplyňovacích jednotek na zpracování odpadů v Evropě Tabulka č. 13: Vybrané pyrolýzní a zplyňovací jednotky realizované mimo Evropu Tabulka č. 14: Realizovaná a v současné době provozovaná zpracovatelská kapacita pyrolýzních a zplyňovacích jednotek v Evropě pro zpracování odpadů Tabulka č. 15: Přehled významnějších záměrů pro realizaci nových zplyňovacích jednotek ve světě (bez plazmových jednotek) Tabulka č. 16: Přehled významnějších realizovaných jednotek plazmového zplyňování odpadů ve světě Tabulka č. 17: Přehled významnějších záměrů pro realizaci jednotek plazmového zplyňování odpadů Tabulka č. 18: Přehled hodnocených variant dosažitelného energetického zisku při alternativních způsobech zpracování odpadů a hlavních zadávacích parametrů Tabulka č. 19: Hlavní výsledky výpočtů dosažitelné výroby energie při alternativním zpracování odpadu. Provedeno pro zpracování 1 t odpadu o výhřevnosti 18,5 MJ/kg Tabulka č. 20: Odhad vlastní technologické spotřeby elektrické energie a tepla pro hodnocené alternativy Tabulka č. 21: Bilance dosažitelného exportu elektrické energie a tepla při hodnocených variantách. Zpracováno pro účinnost zplyňování 74,2 % Tabulka č. 22: Bilance dosažitelného exportu elektrické energie a tepla při hodnocených variantách. Zpracováno pro účinnost zplyňování na 80 %, Tabulka č. 23: Dosažitelné efekty ve výrobě elektřiny a tepla energie z energoplynu využitím kogenerační jednotky s plynovým motorem Tabulka č. 24: Kalkulace dosažitelného příjmu za export elektrické a tepelné energie při hodnocených variantách. Zpracováno pro účinnost zplyňování 74,2 % Tabulka č. 25: Kalkulace dosažitelného příjmu za export elektrické a tepelné energie při hodnocených variantách. Zpracováno pro účinnost zplyňování 80 %, Tabulka č. 26: Deklarované investiční a provozní náklady provozního souboru termického zpracování odpadů o kapacitě 500 t/d alternativními způsoby. Zpracováno na základě zdroje [7] Tabulka č. 27: Deklarované investiční náklady některých pyrolýzních a zplyňovacích jednotek... 67

5 Seznam obrázků Obrázek č. 1: Srovnání podmínek pyrolýzy, zplyňování a spalování z hlediska množství a přítomnosti kyslíku v reakčním prostředí [6]... 3 Obrázek č. 2: Teplotní podmínky a přebytek vzduchu při gasifikaci a spalování odpadů [2]... 4 Obrázek č. 3: Teplotní závislost rovnovážných konstant vybraných reakcí při zplynování [14] Obrázek č. 4: Typická závislost složení plynného produktu při zplyňování dřevní štěpky při různých hodnotách ekvivalentního poměru [14] Obrázek č. 5: Aparátová skladba zplyňovacího zařízení ENERGOS [16] Obrázek č. 6: Potenciální chemické využití produktů pyrolýzy a zplyňování odpadů Obrázek č. 7: Schéma využití energoplynu ke kombinované výrobě elektrické energie a tepla aplikací parního cyklu Obrázek č. 8: Schéma využití energoplynu ke kombinované výrobě elektrické energie a tepla aplikací plynové a parní turbíny Obrázek č. 9: Schéma využití energoplynu ke kombinované výrobě elektrické energie a tepla aplikací kogenerační jednotky s plynovým motorem Obrázek č. 10: Přehled významnějších realizovaných a provozujících jednotek pyrolýzy odpadů Obrázek č. 11: Realizovaná a provozující zpracovatelská kapacita jednotek zplyňování odpadů v Evropě Obrázek č. 12: Podíl procesů pyrolýzy a zplyňování na termickém zpracování odpadů v Evropě ve srovnání s přímým spalováním Obrázek č. 13: Počet realizovaných a plánovaných jednotek pyrolýzy, resp. zplyňování odpadů v Japonsku [19] Obrázek č. 14: Realizované a provozující jednotky plazmového zplyňování ve světě Obrázek č. 15: Dosažitelná účinnost hrubé výroby elektrické energie a tepla při hodnocených alternativách zpracování odpadu o výhřevnosti 18,5 MJ/kg Obrázek č. 16: Rozdělení měrné výroby elektrické energie na vlastní spotřebu a export Obrázek č. 17: Dosažitelná efektivita výroby elektrické energie a tepla pro export při alternativním zpracování odpadu o výhřevnosti 18,5 MJ/kg. Zpracováno pro výchozí účinnost procesu zplyňování 74,2 % Obrázek č. 18: Dosažitelná efektivita výroby elektrické energie a tepla pro export při alternativním zpracování odpadu o výhřevnosti 18,5 MJ/kg. Zpracováno pro zvýšenou účinnost procesu zplyňování na 80 % Obrázek č. 19: Srovnání celkového dosažitelného příjmu z exportu energie při zpracování 1 tuny odpadu alternativními způsoby. U variant se zplyňováním zpracováno pro účinnost procesu zplyňování 74,2 %, resp. 80 %

6 1. Úvod Současná celková světová produkce komunálních odpadů (dále i MSW) činí asi 2,225 mld.t/r, z toho v rámci Evropské unie je produkováno ročně 278 mil. t/r [1, 24]. Předpokládá se, že do roku 2050 dojde ke zvýšení produkce komunálních odpadů až na úroveň blížící se 5 mld. t/r a z toho důvodu jsou celosvětově rozvíjeny koncepce takového nakládání s odpady, aby došlo k omezení skládkování zejména zvýšením recyklovatelnosti a materiálového a energetického využití. Ze spektra technologií využívaných pro termické zpracování odpadů je ve většině případů využíváno přímé spalování (incinerace), nicméně v posledních letech se projevuje určitý zájem o technologie zplyňování nebo pyrolýzy odpadních komodit s přímou návazností na přeměnu získané energie na tepelnou či elektrickou energii a současně na možnou výrobu synplynu pro petrochemické syntézy paliv, apod. Technologie zplyňování uhlí je procesem, který je v praxi využíván od 19. století. Zatímco při spalování se kalorický potenciál paliva přeměňuje přímo na energii tepelnou, při pyrolýze a zplyňování dochází k přeměnám vedoucím k vzniku produktů využitelných energeticky a rovněž k vytvoření nových forem chemické energie vázané na vzniklé plynné, kapalné a částečně i tuhé produkty. Využití odpadů obsahujících uhlíkaté sloučeniny nebo biogenní složky cestou zplyňování nebo pyrolýzy je alternativou, která odpovídá hierarchii nakládání s odpady ve smyslu chemického a energetického využívání. Jedná se o procesy, při nichž dochází k nedokonalé přeměně vstupních uhlíkatých sloučenin na produkty oxidačních a rozkladných reakcí a vzniklé produkty jsou energeticky nebo chemicky využitelné. 1

7 2. Charakteristika rozkladných procesů termického zpracování odpadů 2.1 Pracovní podmínky procesů termického zpracování odpadů Suroviny pro procesy termického zpracování odpadů Jako suroviny pro rozkladné procesy termického zpracování odpadních materiálů přichází v úvahu materiály obsahující uhlíkaté sloučeniny schopné podléhat termickému štěpení a oxidačním reakcím. Z pohledu odpadového hospodářství se může jednat o směsný komunální odpad (SKO) nebo z něj separované komponenty (dále označované jako TAP, event. RDF), dále drcené pneumatiky, separované autodíly, kontaminovaná biomasa, odpadní oleje apod. V evropských zemích se výhřevnost komunálních odpadů obvykle pohybuje v rozmezí cca 9,5 až 11,5 MJ/kg [2, 3, 4, 5]. V řadě případů přímé zpracování neupravených odpadů naráží na problémy způsobené nehomogenitou vstupních materiálů a z toho důvodu je mnohdy prováděno určité třídění surovin vedoucí k vyšší výhřevnosti vyseparovaných složek, která může dosáhnout 18 až 20 MJ/kg Pracovní podmínky a teplotní režim procesů termického zpracování odpadů Ze spektra technologií využívaných pro termické zpracování odpadů je v zásadě možné využít přeměny vedoucí k vytvoření konečných oxidačních produktů uhlíkatých nebo procesy nedokonalé oxidace a rozkladu. V prvním případě se jedná o technologie přímého spalování, při kterých je cílem dosažení přeměny výchozích materiálů na finální oxidační produkty, tedy CO 2, H 2 O a nespalitelné zbytky. V případě nedokonalé oxidace nebo rozkladu je přeměna vedena do stavu, ve kterém jsou ve výsledném spektru vzniklých látek zastoupeny jak finální produkty konečných přeměn, tak i produkty nedokonalé oxidace a rozkladu výchozích surovin, tedy H 2, CO, lehčí uhlovodíky a kyslíkaté organické sloučeniny v plynném nebo kapalném stavu až vysokomolekulární látky koksového charakteru. Produkty nedokonalého rozkladu jsou schopny následných oxidačních reakcí, tudíž kalorický obsah těchto látek může být využit v následujících technologických krocích zaměřených na získání energie. Alternativně mohou být vzniklé látky použity jako výchozí suroviny petrochemických syntéz nebo po rafinaci k získání uhlovodíkových frakcí a paliv. Hranice mezi procesy vedenými v režimu dokonalé a nedokonalé oxidace a rozkladu je dána stechiometrickým množstvím přivedeného kyslíku do reakčního prostředí. Tuto situaci schematicky znázorňuje obrázek č. 1, z nějž je patrné, že procesy pyrolýzy se uskutečňují prakticky za nepřítomnosti kyslíku, zatímco zplyňování probíhá za přítomnosti kyslíku přivedeného do reakčního prostředí v oxidačním plynu, ovšem v podstechiometrickém množství. Jako oxidační plynu může být vedle vzduchu použit kyslík, nebo i přehřátá vodní pára či CO 2. 2

8 Obrázek č. 1: Srovnání podmínek pyrolýzy, zplyňování a spalování z hlediska množství a přítomnosti kyslíku v reakčním prostředí [6] Pochod přímého spalování, který v souvislosti se spalováním odpadů je označován jako incinerace, probíhá za nadstechiometrického množství kyslíku. Přebytek spalovacího vzduchu se pohybuje obvykle v mezích cca 1,5 až 2,5, což je dáno vlastnostmi spalovaného materiálu, jeho výhřevností a požadovanou teplotou spalování. Schematicky je teplotní režim procesu gasifikace, resp. incinerace výchozího materiálu o výhřevnosti 10 MJ/kg v závislosti na ekvivalentním poměru při použití vzduchu jako oxidačního plynu znázorněn na obrázku č. 2. 3

9 . Obrázek č. 2: Teplotní podmínky a přebytek vzduchu při gasifikaci a spalování odpadů [2] Uvedený obrázek ilustruje situaci při gasifikaci, resp. spalování odpadu o výhřevnosti 10 MJ/kg (což přibližně odpovídá výhřevnosti komunálních odpadů v evropských zemích) při použití různého přebytku spalovacího vzduchu vůči teoretické potřebě na úplné spálení. Je vidět, že nejvyšší teplota systému po reakci s kyslíkem je dosažena právě při stechiometrickém poměru vzduchu, event. kyslíku k palivu. Tato teplota odpovídá tzv. adiabatické teplotě spalování a v daném případě pro spalování materiálu o výhřevnosti 10 MJ/kg se vzduchem činí cca 1700 C. Jelikož konstrukční teplota běžných spalovacích zařízení neumožňuje provoz při tak vysokých teplotách, musí být teplota spalin redukována zvýšeným přívodem vzduchu, takže např. pro dosažení teploty 850 C při spalování materiálu o výhřevnosti 10 MJ/kg je odpovídající přebytek spalovacího vzduchu cca 2,64. V případě spalování materiálu o výhřevnosti 18,5 MJ/kg, což by přibližně odpovídalo lehké frakci z třídění komunálního odpadu s vyšším podílem plastů (např. PET apod.), by k dosažení stejné teploty spalování byl nutný přebytek spalovacího vzduchu vyšší, a to cca 3,0. V případě spalování komunálních odpadů je ve spalovací komoře obvykle instalován trubkový teplosměnný systém pro výrobu páry. Umístění části teplosměnného systému pro výrobu páry do spalovacího prostoru vede v důsledku přenosu tepla ze strany spalin k určitému snížení teploty spalin, což se projeví snížením potřebného přebytku vzduchu k dosažení požadované teploty spalin na výstupu ze spalovacího prostoru. Křivka, která je ve výše uvedeném obrázku nalevo od bodu adiabatické spalovací teploty, vyznačuje možný průběh teploty v systému při zplyňování paliva s podstechiometrickým množstvím kyslíku a respektuje výsledek tepelné bilance mezi teplem uvolněným spalováním a velikostí tepla spotřebovaným při průběhu převážně endotermických reakcí zplyňování. Podle teplotního režimu se může proces pyrolýzy, resp. gasifikace uskutečňovat za teplot nižších, tedy v oblasti asi 650 až 900 C. resp. ve vysokoteplotní oblasti. (např až 2000 C). Teplotní oblast pracovních podmínek vysokoteplotního plazmového zplyňování odpadů se pohybuje výrazně výše a pracovní teplota v elektrickém oblouku dosahuje teplot cca 4000 až C [2, 7], viz Tabulka č. 1. 4

10 Tabulka č. 1: Typické pracovní teploty procesů při termickém zpracování odpadů proces termického zpracování odpadů Typické rozmezí pracovní teploty Spalování (incinerace) 850 až 1200 C Pyrolýza 450 až 900 C Pyrolýza + gasifikace 750 až 1250 C Nízkoteplotní gasifikace 600 až 900 C Vysokoteplotní gasifikace 1200 až 2000 C Vysokoteplotní plazmová gasifikace nad 4000 C Procesy termického zpracování odpadů mohou pracovat v autotermním režimu nebo s podpůrnou dodávkou tepla (alotermní režim) z vnějšího zdroje. Pokud je zájem rozkladnými procesy získat energetický plyn s větší výhřevností nebo získat rozkladnými procesy uhlovodíkové frakce, je výhodné provozovat proces alotermně [8]. Pyrolýzní rozklad pracující na principu nepřímého výměníku vyžaduje pouze alotermní způsob ohřevu, k dodávce potřebné tepelné energie je použito přídavné palivo nebo část vzniklého produktu. Srovnání základních pracovních charakteristik a využitelnosti termických procesů na zpracování uhlíkatých paliv a odpadů uvádí, viz Tabulka č. 2. 5

11 Tabulka č. 2: Srovnání základních pracovních charakteristik a využitelnosti termických procesů na zpracování uhlíkatých paliv a odpadů proces Pyrolýza Zplyňování (Gasifikace) Spalování (Incinerace) Popis Termický rozklad v palivu obsažených organických látek Chemická přeměna paliva účinkem zplyňovacího media (vzduch, kyslík, vodní pára, CO2) Reakce spalitelných látek s kyslíkem za vzniku tvorby finálních produktů oxidačních reakcí Probíhající děje Sušení odplynění rozkladné reakce Sušení odplynění oxidační reakce redukční reakce Sušení odplynění oxidační reakce Reakce (příklady) CnHm=aCx1Hy1+bCx2Hy2+zH2 CnHm=aCx1Hy1+bCx2Hy2+zH2 CnHm+(n+m/4) O2 = = n CO2+m/2 H2O CnHm+(n/2+m/4) O2 = = n CO+m/2 H2O C+CO=2 CO CO+H2O=CO2+H2 CH4+H2O=CO+3 H2 CnHm+(n+m/4) O2 = = n CO2+m/2 H2O C+O2=CO2 2H+1/4 O2=H2O Přívod oxidačního plynu ne ano (vzduch, kyslík, H2O, CO2 nebo jejich směs) ano (vzduch) Ekvivalentní 0 <1 (cca 0,2 až 0,7) >1 (cca 1,5 až 2,5) dle vlastností suroviny Teplota obecně nad 300 C obvykle 650 až 900 C (1000 C) nízkoteplotní 750 až 875 C vysokoteplotní 1200 až 1500 C plazma: nad 4000 C 850 až 1100 C (legislativně určeno) reálný provoz při teplotě vyšší Tlak atmosférický atmosférický i zvýšený tlak (až 3 MPa) atmosférický dodávka tepla Dodávka tepla z vnějšího zdroje, může být použita část vyrobeného produktu Parciální oxidace suroviny a autotermní režim, event. kombinace s vnějším zdrojem (alotermní režim) Pro suroviny, resp. odpady o výhřevnosti nad 10 MJ/kg bez dodávky tepla (pouze stabilizační hořáky) využití produktů Produkce energetického plynu a zkapalnitelných uhlovodíkových podílů využitelných jako komponent paliv (po úpravě v rafinerii) Produkce pyrokoksu, v případě zpracování odpadů nízká kvalita. Produkce energoplynu k výrobě tepelné a elektrické energie parní cyklus, plynová turbína, plynový motor, palivové články), resp. produkce synplynu pro následné petrochemické výroby (metanol, etanol, uhlovodíky Fischer- Tropschovou syntézou. Energetické využití produkovaného tepla ke kombinované výrobě tepla a elektrické energie. Nejčastěji využit parní cyklus. Z hlediska řešení dodávky tepla se procesy termického zpracování odpadů podstatně odlišují: Pyrolýzní přeměny jsou zásadně endotermického charakteru a teplo potřebné pro průběh reakcí musí být do systému dodáno z vnějšího zdroje. Dodávka tepla se tudíž děje vnějším ohřevem pyrolýzní pece a teoreticky může být uskutečněna přívodem přehřátého media. Ovšem v případě, že tímto mediem je přehřátá pára, nabývá rozklad již charakter zplyňovacích procesů. Některá technologická řešení kombinují pyrolýzu suroviny probíhající v prvním stupni s následným zplyňováním nebo spalováním vzniklých produktů, proto striktní oddělení pyrolýzních a zplyňovacích technologií je obtížné. Přeměny při zplyňovacích procesech zahrnují z tepelného hlediska jak exotermické reakce, tak endotermické děje. Exotermické reakce vedou převážně k vytvoření konečných oxidačních produktů a systému dodávají část nebo veškeré teplo potřebné pro průběh endotermických přeměn nedokonalého rozkladu. V praxi je nejčastěji proces zplyňování veden v autotermním režimu tak, že teplo uvolněné oxidačními reakcemi (parciální oxidací) je v rovnováze s teplem spotřebovaným 6

12 endotermickými reakcemi. Pokud je k zplyňování použit plyn s vyšším obsahem kyslíku nebo i koncertovaný kyslík, lze dosáhnout teplot podstatně vyšších (cca 1200 až 2000 C), při nichž dochází k velmi účinné destrukci vstupního materiálu a nespalitelné zbytky odchází v polotekutém stavu. Proces zplyňování je možné uskutečnit i v alutermním režimu, kdy část tepla potřebného pro průběh přeměn je dodávána z vnějšího zdroje. Tento případ není častým průmyslovým řešením, spíše se týká laboratorního výzkumu. Při spalování odpadů se teplo uvolněné spalováním zpracovávaného materiálu promítne do entalpického obsahu vzniklých spalin. Ve většině případů je výhřevnost vstupního odpadu dostatečně vysoká na to, aby dokonalým spalováním byla dosažena legislativně stanovená minimální teplota, tj. 850 C pro zpracování komunálních odpadů, resp C pro spalování odpadů s obsahem chlóru vyšším než 1 % hm. [34, 35]. Např. pro dosažení teploty spalin 1100 C ve spalovací komoře bez vnitřní teplosměnné vestavby je při přebytku spalovacího vzduchu je již dostačující výhřevnost odpadu 7 MJ/kg [55]. V případě plazmového zplyňování se dodávka tepla potřebného k rozkladu zpracovávaného materiálu uskutečňuje plazmovými hořáky a současně dochází i k parciální oxidaci části suroviny. Jsou dosahovány teploty nad 4000 C a vzhledem k dodávce energie pro provoz plazmových hořáků (cca 700 až 1000 kwh e /t) jsou výtěžky produktů zplyňování i hrubá výroba energie vyšší než u klasického procesu gasifikace probíhajícího v autotermním režimu. 7

13 2.2 Pyrolýzní procesy zpracování odpadů Pyrolýza je tepelný rozklad paliva na jednodušší sloučeniny prakticky bez přístupu kyslíku, vzduchu či jiného oxidovadla. Za zvýšené teploty (cca 500 až 900 C) se část suroviny (tzv. prchavá hořlavina) uvolní a přemění na plynné produkty s nižší molekulovou hmotností a pevný zbytek složený z uhlíku (neprchavá hořlavina) a popelovin. Tudíž i hlavními produkty pyrolýzy uhlovodíkových podílů přítomných ve zpracovávané surovině jsou: pyrolýzní plyn obsahující vodík, metan a spektrum alifatických a aromatických uhlovodíků, určité množství oxidů uhlíku, nežádoucí plynné složky (H 2 S, COS, HCl, NH 3, atd.). střední a těžké destilační uhlovodíkové frakce (pyrolýzní oleje). tuhé zbytky přestavující směs. vysokomolekulárních látek polyaromatického charakteru (pyrolýzní koks). nerozložitelných látek z anorganického podílu v původním odpadu. Jelikož pyrolýzní rozklad probíhá v redukční atmosféře prakticky za nepřítomnosti kyslíku, obsahují plynné produkty minimum oxidů uhlíku vzniklých rozkladem kyslíkatých látek nebo reakcemi uhlovodíků s eventuálně přítomnou vodní parou. Vzhledem k tomu, že v průmyslové praxi nelze zcela zajistit hermetické oddělení reakčního prostoru od vnější atmosféry, nelze vyloučit přítomnost určitého množství kyslíku a tím i průběh oxidačních reakcí v omezeném měřítku. V závislosti na charakteru zpracovávané suroviny jsou v pyrolyzním plynu přítomny minoritní nežádoucí složky (H 2 S, COS, NH 3, HCl, tuhé znečišťující látky a další), jež je nutno před dalším použitím plynů odstranit. Vzhledem k tomu, že přeměny probíhají v redukční atmosféře, je tvorba látek skupiny polychlorovaných dibenzodioxinů a furanů (PCDD/F) méně pravděpodobná, nicméně sloučenin spadajících do skupiny persistentních organických látek (POP), není zcela vyloučen (viz Tabulka č. 11). Hlavními komponentami pyrolýzního plynu jsou vodík, metan a lehčí uhlovodíky. Množství vytvořených štěpných produktů závisí na ostrosti pracovních podmínek, tudíž separačními pochody a po odstranění nežádoucích složek je možné získat jak vodík, tak plyn bohatý na metan a použitelný jako SNG (syntetický zemní plyn), eventuálně plynnou směs využitelnou v plynových motorech pro výrobu energie [6, 9, 10, 11]. Střední uhlovodíkové frakce (pyrolýzní oleje) produkované při pyrolýze jsou využitelné jako zdroj aromátů a po rafinační úpravě jako komponenty motorových paliv. Rafinační úprava je nutná vzhledem k vysokému obsahu nenasycených komponent i kyslíkatých látek, které způsobují nestálost, kyselost a celkově špatnou míchatelnost s klasickými ropnými frakcemi. K získání vyššího podílu uhlovodíkových frakcí je výhodnější uskutečňovat proces pyrolýzy za mírnějších teplotních podmínek (již od cca 450 C) a při kratší době zdržení (flash pyrolysis). Naopak při cílové produkci převažujícího podílu plynných produktů jsou žádoucí ostřejší teplotní podmínky (až 800 C i výše). Studiem pracovních podmínek pyrolýzy a dosažitelných výtěžků a charakteru rozkladných produktů při pyrolýze různých komponent komunálního odpadu, jako je polyetylen (PE), polyvinylchlorid (PVC), polyetylentereftalát (PET), papír, lepenka a dalších, se zabýval např. Ch. Zhou [9]. Tabulka č. 3, vytvořená na základě údajů uvedeného autora ilustruje, že výtěžky pyrolýzních produktů jsou citlivé na druh zpracovávané suroviny a rovněž, že již poměrně malá změna v pracovní teplotě se při experimentech výrazněji odrazila na poměru mezi výtěžky produktů. 8

14 Tabulka č. 3: Výtěžky produktů při pyrolýze různých komponent tříděného komunálního odpadu [9] Surovina PE PVC PET Teplota [ C] 500 C 600 C 500 C 600 C 500 C 600 C Produkty pyrolýzy a jejich výtěžek [% hm. na vstupní surovinu] plynné produkty kapalné frakce zbytek (char) Obdobné výsledky pozoroval např. Baraňák [61] při termické depolymeraci směsi plastů na zařízení PYROMATIC 100 realizovaném firmou Ostravská LTS, a, s., a popsaném v [47]. Při zkouškách depolymerace směsi plastů v retortě při teplotě 600 C a době zdržení 60 minut byla zjištěna tvorba plynu obsahujícího jako hlavní komponenty H 2 (13 až 20 % obj.) a CH 4 (23 až 34 % obj.) v množství odpovídajícím 60 % hm. zpracovávané suroviny. Tvorba zkapalnitelných uhlovodíkových frakcí činila 13 % hm. a byly přítomny zejména složky benzen, toluen, etylbenzen a voda. Tvorba tuhého zbytku činila 27 %. Obsah uhlíku v tuhém zbytku činil 43 až 85 % hm. v závislosti na druhu zpracovávaných plastů. Je známo, že pyrolýzní zbytek v případě zpracování uhlovodíkových komponent vysokomolekulární charakter s vysokým obsahem uhlíku, jehož struktura se liší podle teploty, při které je proces pyrolýzy veden. Za mírných podmínek má vznikající zbytek amorfní strukturu, která při vyšších teplotách přechází do formy kompaktního koksového zbytku. V případě pyrolýzy komunálních odpadů přechází do zbytku (char) rovněž anorganické komponenty přítomné v původní surovině, tudíž vytvořený koks není vhodný na výrobu uhlíkatých elektrod, jak je tomu v případě rafinerského zpracování těžkých ropných frakcí. Zhou [9] rovněž zjistil, že tuhý zbytek (char) vzniklý při termickém rozkladu plastů má poměrně malý vnitřní povrh, takže se nejeví jako vhodný materiál pro adsorpční děje. Některé dříve realizované průmyslové případy kombinovaného pyrolýzního rozkladu a gasifikace, jako byl např. proces Termoselect, podrobily vzniklý pyrolýzní zbytek spalování s koncentrovaným kyslíkem, čímž bylo získáno teplo pro průběh gasifikačních reakcí lehčích produktů. Pyrolýzní rozklad, probíhající za nepřítomnosti kyslíku, nutně vyžaduje dodávku tepla potřebného k průběhu endotermických rozkladných reakcí z vnějšího zdroje. Tento požadavek může být splněn vnějším ohřevem pyrolýzního reaktoru, jímž je obvykle rotační pec, spalinami vznikajícími spalováním klasických paliv nebo části produktů. Spalování pyrolyzních produktů (syntézní plyn a koks) je možné za minimálního přebytku vzduchu, tudíž ve spalovacím stupni jsou dosažitelné podmínky, za kterých nespalitelné podíly odchází ve formě vitrifikované strusky. Pro pyrolýzní zpracování se jeví vhodné převážně jednodruhové odpady. Tato technologie může být vhodná pro zpracování kontaminované biomasy a dřevního odpadu v různých formách, dále pak drcených pneumatik a gumového odpadu, vytříděných složek komunálního odpadu (převážně plastový odpad) a vytříděných odpadů z průmyslové výroby. Cestou pyrolýzního rozkladu lze likvidovat i kaly z čistíren odpadních vod a biologický (nemocniční) odpad. Přestože možnost získávat komponenty motorových paliv pyrolýzou komunálních odpadů, eventuálně podílů vytříděných z SKO, se jeví jako zajímavá cesta pro výrobu paliv, nejsou prozatím v tomto směru uváděny významnější průmyslové realizace. Přehled zjištěných realizovaných pyrolýzních jednotek v Evropě i ve světě je uveden, viz Tabulka č. 13, v kapitole 4 věnované současnému stavu ve výstavbě a realizaci provozních jednotek pyrolýzy a zplyňování odpadů. Ve zmíněné kapitole, viz Obrázek č. 12 a Tabulka č. 12, ilustrují, že v současné době je zjištěný zpracovatelský výkon tří provozujících pyrolýzních jednotek v Evropě cca 111 kt/r, z čehož v jednom případě se jedná o zpracování zbytků z kožařského průmyslu (100 kt/r, Günzburg, Německo) a dále o pyrolýzu drcených pneumatik (6 kt/r, Kypr) a pyrolýzu čistírenského kalu (5 kt/r, Füssen, Německo). V posledním období je zvýšená pozornost zaměřena na pyrolýzu ojetých pneumatik. V tomto směru je deklarována činnost zejména čínských firem a podle sdělení [65, 66] se jeví značně aktivní firma 9

15 RESEM (Shangqui, Čína) uvádějící schopnost dodávky zařízení pro pyrolýzu drcených pneumatik pro denní zpracovatelský výkon 5 až 30 t (odpovídá cca 1,5 až 10 kt/r). Dle sdělení [67] byl i na Slovensku učiněn pokus o instalaci čínské technologie na zpracování gumárenského odpadu, ovšem zařízení se nepodařilo uvést do trvalého provozu. Jediné spolehlivě provozující zařízení pro pyrolýzu drcených pneumatik ve Slovenské republice je instalováno firmou DRON sklady, s.r.o., v Mliečanech u Dunajské Stredy. Zpracovatelský výkon 15 kt/r odpovídá projektovaným parametrům. Podpora realizace ve výši 998,2 tis., což predstavovalo 40% z celkových oprávněných nákladů, byla uskutečněna v rámci Operačního programu SR Konkurencia a hospodársky rast - KaHR-111SP-1001, podpora zavádzania inovácií a technologických transferov v priemysle a v službách [68, 69]. Zařízení bylo v souladu s uzavřeným závazkem uvedeno do provozu v 12/2012. Použitá technologie, označená DSSC/SCA, je výsledkem vývoje uskutečněného na Chemicko-technologické a potravinářské fakultě Slovenské technické univerzity v Bratislavě. Výzkumný tým, jehož vedoucím byl profesor Bajus [67], započal vývojové práce na problematice pyrolýzy gumárenských a dalších odpadů polymerního charakteru v roce 2004 [68]. Pyrolýza drceného materiálu probíhá při teplotách 400 až 700 C v rotační peci, v daném případě je instalováno pět paralelních reaktotů speciální konstrukce [67, 70]. V případě zpracování pneumatik činí výtěžek pyrolyzního plynu cca 20% hm., tvorba zkapalnitelných uhlovodíkových podílů činí cca 40 % hm., tuhé zbytky ve formě pyrokoksu a kovového podílu představují cca 40 % hm. na surovinu. Oddělený pyrolýzní plyn o výhřevnosti blízké zemnímu plynu se používá pro krytí všech energetických nároků procesu a pro případ nadprodukce je instalována plynová turbina sloužící k výrobě elektrické energie. Zkapalnitelné uhlovodíkové podíly odpovídají převážně lehkému topnému oleji. Tento produkt obsahuje určité množství sirných sloučenin a jeho další využití vyžaduje rafinerskou úpravu. 2.3 Procesy zplyňování odpadů Za slibné řešení pro využití odpadů je podle řady autorů [2] pokládáno zplyňování (gasifikace). Při zplyňování se dodávka tepla do reakčního systému uskutečňuje parciální oxidací (částečným spalováním) suroviny, čímž se vytváří teplo potřebné pro průběh následných endotermických reakcí. V případě plazmového zplyňování se dodávka tepla potřebného k rozkladu zpracovávaného materiálu uskutečňuje plazmovými hořáky a současně dochází i k parciální oxidaci části suroviny, tudíž výtěžky produktů zplyňování i hrubá výroba energie jsou vyšší než u klasického procesu gasifikace probíhajícího v autotermním režimu. Technologii plazmového zplyňování a uskutečněným realizacím tohoto procesu jsou věnovány kapitoly a 4.2. Zplyňování obecně umožňuje flexibilnější přístup k volbě cílových produktů přeměny výchozí suroviny na produkty umožňující návazné získání energie nebo výrobu syntézního plynu pro následné chemické účely. Uvádí se [12], že při gasifikaci může být 80 %, špičkově až 85 % výchozího kalorického obsahu zpracovávaného materiálu převedeno do formy energetického plynu nebo do chemického potenciálu syntézní směsi. V tomto smyslu žádanými produkty gasifikace jsou plynné složky H 2 a CO a lehké uhlovodíky, které mají využitelnou kalorickou hodnotu, a rovněž lze tyto komponenty využít k chemickým syntézám Reakce při zplyňování uhlíkatých materiálů Zplyňování (gasifikace) je termochemická přeměna uhlíkaté suroviny, která probíhá za podstechiometrického množství kyslíku a dochází přitom jak k vytvoření konečných produktů oxidačních reakcí (CO 2 a H 2 O), tak sloučenin, jež jsou výsledkem nedokonalého spalování či rozkladu (CO, CH 4, H 2, lehčí uhlovodíky až koksové úsady). Technologie parciální oxidace ropných zbytků je již desítky let využívána v rafineriích pro petrochemickou produkci vodíku, ale může být rovněž použita k získání energoplynu přeměnou biomasy nebo odpadních uhlíkatých látek cestou nedokonalého spalování. Zplyňování probíhá za zvýšené teploty, zhruba v teplotní oblasti cca 650 až 1200 C a z tohoto pohledu lze proces dělit na nízkoteplotní gasifikaci (cca 650 až 900 C) a vysokoteplotní proces (do cca 1200 C i výše). V tomto teplotním rozmezí se provozovatelé vyhýbají oblasti kolem 1000 C, kdy vznikající nespalitelné podíly jsou v polotekutém stavu. Jako zplyňovací médium bývá použit vzduch, kyslík, vodní pára, oxid uhličitý nebo jejich směsi. Při zplyňování uhlíkatých surovin dochází k celé řadě reakcí, které jsou uvedeny v následujícím přehledu 10

16 [13]. Jsou to jednak oxidace kyslíkem, dále reakce složek s vodní parou, s oxidem uhličitým a reakce rozkladné. V případě zpracování biomasy nebo odpadů s přítomností složek obsahujících rovněž biogenní prvky (tedy síru, chlor, dusík, event. fosfor) doplňují spektrum možných reakcí další doprovodné děje vedoucí k tvorbě minoritních produktů: sulfanu, chlorovodíku, čpavku či fosfanu a oxidu fosforečného. Hlavní reakce při zplyňování lze formulovat následovně: Reakce s molekulárním kyslíkem Spalování s tvorbou konečných oxidačních produktů 0 C 1/ 2 O CO H 110,62 kj / mol (1) CO 1/ 2 O CO H 283,15 kj / mol (2) O2 CO2 H / 2 O2 H2O H298 C 393,77 kj / mol (3) H CH 242,0 kj / mol (4) 0 2 O CO 2 H O H 801kJ / mol (5) m m CnHm n O2 n CO2 H2O (6) 4 2 Parciální oxidace uhlovodíků na oxid uhelnatý a vodní páru n m m CnHm O2 n CO H2O (7) Reakce s vodní párou Konverze vodního plynu (shift reaction) 0 CO H O CO H H 41,16 kj / mol (8) Konverze uhlovodíků s vodní parou (parní reformování) C C n n CH H H m m m n H 2O n CO n H 2 2 m 2n H2O n CO2 2n H2 2 0 H O CO 3 H H 206,28 kj / mol (9) (10) (11) Reakce uhlíku s vodní parou C H O CO H 0 H 131,38 kj / mol (12) Reakce s oxidem uhličitým Boudouardova reakce 0 C CO 2 CO H 174,54 kj / mol (13)

17 Konverze uhlovodíků s CO 2, suchý (dry) reforming m CnHm n CO2 2n CO H2 2 (14) CH CO 2 CO 2H 0 H 247,44 kj / mol (15) Rozklad uhlovodíků (tvorba sazí a koksu) m CnHm n C H2 (16) 2 0 CH C 2 H H 74,91kJ / mol (17) Doprovodné reakce Rovnováha sulfan karbonyl sulfid: H2S CO2 H2O COS (18) Tvorba sulfanu ze síry obsažené v palivu H2 S H2S (19) Tvorba chlorovodíku z chlóru obsaženého v palivu H 2 2 Cl 2 HCl (20) Tvorba čpavku a kyanovodíku H N2 H2 2C 2 HCN 0 3 H 2 NH H 92 kj (21) (22) Tvorba oxidů dusíku N2 O2 2 NO (23) Tvorba sloučenin fosforu 2 P 3 H 4 P 5 O PH P H (24, 25) Sumárně je vznik štěpných produktů (CO, CO 2, H 2, CH 4 a lehčích uhlovodíků a frakcí) endotermickým dějem a dodávka potřebného množství tepla k uskutečnění rozkladných reakcí se děje současným parciálním spalováním části suroviny i produktů v takovém rozsahu, aby jako přeměna jako celek byla autotermická, za níž dochází k rovnováze mezi spotřebou tepla endotermickými ději a velikostí tepla uvolněného exotermickými reakcemi. Teplo je do procesu dodáváno buď přímo, tj. částečným spalováním paliva (parciální oxidací) anebo nepřímo přísunem tepla z vnějšího zdroje, tzv. alotermní zplyňování [8]. Může být použita kombinovaná dodávka tepla jak parciální oxidací suroviny, tak vnějším ohřevem. V procesech plazmové gasifikace je teplo potřebné pro uskutečnění přeměn dodáváno jak plazmovými hořáky, tak částečnou oxidací suroviny nebo meziproduktů. Rozsah rychleji probíhajících oxidačních reakcí a tím i velikost uvolněného tepla bezprostředně ovlivňuje přivedené množství kyslíku do reakčního prostředí, které je vyjadřováno tzv. ekvivalentním poměrem odpovídajícím poměru mezi skutečným a stechiometrickým množstvím kyslíku potřebného na dokonalé spálení vstupního materiálu. U procesů zplyňování vedených v autotermním režimu teplo uvolněné spalováním spotřebováno jak na průběh endotermických přeměn, tak na zvýšení teploty reakční produktů na konečnou teplotu. 12

18 Termodynamickou analýzu možného průběhu reakcí při zplyňování provedl Hanika [13] pro dvě uvažované výchozí suroviny, a to řepkový šrot jako surovinu odpovídající odpadní biomase a pro destilační zbytek visbreaktingu těžké ropné frakce. Autor dospěl k rozlišení několika teplotních oblastí, ve kterých převládají určité chemické přeměny. Teplotní oblast hlavní probíhající děje. 200 až 280 C probíhá odpaření těkavých látek 280 až 500 C počátek tvorby nižších uhlovodíků štěpením výšemolekulárních látek 500 až 700 C intenzivní štěpení struktury uhlíkatých sloučenin 700 až 900 C probíhají oxidační exotermické reakce i reakce endotermické, reakce uhlovodíků s vodní parou, předtím vytvořený uhlík reaguje s vodní parou i s vodíkem Obrázek 3 ilustruje, že zhruba nad teplotou 900 C se ustavuje termodynamická rovnováha výhodná pro existenci H 2 a CO, kdy vzniká minimum CH 4. Obrázek č. 3: Teplotní závislost rovnovážných konstant vybraných reakcí při zplynování [14] Produkty zplyňování uhlíkatých materiálů Produktem zplyňování uhlíkatých materiálů je plyn obsahující žádoucí výhřevné složky (H 2, CO, CH 4 a další nízkomolekulární i výšemolekulární uhlovodíky (vč. dehtových podílů), doprovodné složky (H 2 O, CO 2, N 2 ), znečišťující složky (prach, sloučeniny síry, chlóru, dusíku, alkálie) a tuhé zbytky uhlíkatého a anorganického charakteru. Spektrum vytvořených látek a jejich koncentrace v plynném produktu závisí jak na složení výchozího materiálu, tak na pracovních podmínkách, zejména je výsledek zplyňování ovlivněn ekvivalentním poměrem, resp. parciálním tlakem kyslíku v reakční zóně a teplotou. Pro zplyňování odpadů existuje poměrně málo dat o složení vznikajících produktů, což je logické vzhledem k různorodému složení vstupního materiálu a pro přiblížení lze využít poznatky získané při výzkumu zplynování biomasy. Typickou závislost složení plynné směsi získané zplyňováním dřevní 13

19 štěpky při různých hodnotách ekvivalentního poměru uvádí Obrázek č. 4 a Tabulka č. 4. Je patrné, že v důsledku vysokého objemového poměru mezi dusíkem a kyslíkem ve vzduchu se při zplyňování se vzduchem již po překročení stechiometrického poměru nad 0,5 mol/mol dostává koncentrace dusíku v plynném produktu na 50 % obj. a výše. Tato skutečnost se odráží v dosažitelné výhřevnosti plynného produktu a její zvýšení je možné dosáhnout volbou optimálního ekvivalentního poměru nebo použitím vzduchu obohaceného kyslíkem nebo přímo použitím koncentrovaného kyslíku ke zplyňování. Obecně pro zplyňovací procesy platí, že při zplyňování se vzduchem materiálů podobných biomase se výhřevnost produkovaného plynu pohybuje obvykle v rozmezí cca 4 až 7 MJ/Nm3 [14, 15], přičemž do vytvořeného energoplynu přechází asi 75 až 80 % kalorické hodnoty výchozího materiálu [12]. Moderní současné procesy zplyňování dosahují energetickou účinnost cca 80 %, špičkově až 85 % [14]. Maximální výtěžky energeticky hodnotných složek jsou teoreticky dosahovány při pracovních podmínkách s ekvivalentním poměrem v rozmezí cca 0,20 až 0,25, v praxi je používán poměr cca 0,35 až 0,40 u fluidních technologií, resp. cca 0,45 až 0,55 při použití reaktorů se sesuvným ložem. Obrázek č. 4: Typická závislost složení plynného produktu při zplyňování dřevní štěpky při různých hodnotách ekvivalentního poměru [14] Typické koncentrační rozmezí hlavních složek plynného produktu při zplyňování biomasy uvádí, viz Tabulka č. 4 14

20 Tabulka č. 4: Typické koncentrační rozmezí hlavních složek plynného produktu při zplyňování biomasy se vzduchem [56] složka koncentrační rozmezí [% obj.] H 2 5 až 25 CO 10 až 30 CO 2 2 až 16 CH 4 0 až 5 N 2 45 až Technologické řešení zplyňování odpadů Z hlediska technologické koncepce lze rozlišit zplyňovací procesy podle typu reaktoru, v němž probíhá vlastní konverze zpracovávané suroviny a z hlediska pracovního režimu Zplyňovací reaktory Proces gasifikace zahrnující souběžně probíhající částečného spalování suroviny i endotermické rozkladné reakce je uskutečňován v reaktorech s pevným, event. sesuvným ložem vytvářeným vlastním konvertovaným materiálem nebo v reaktorech s fluidním ložem. Jelikož pro průběh přeměn je důležitá přítomnost kyslíku v reakčním prostoru a jeho difuze k povrchu částic zpracovávaného materiálu, je nutné, aby konstrukční řešení zajistilo pokud možno rovnoměrné rozptýlení oxidačního plynu v reakčním prostředí. Další okolností, kterou je nutno respektovat, je to, že k průběhu přeměn nedokonalého spalování nesmí být v loži zpracovávané suroviny vytvářena lokální centra s nadbytkem kyslíku, neboť v těchto místech dojde k finálním oxidačním reakcím vedoucím ke zvýšení lokální teploty a ke snížení výtěžku produktů pouze částečného rozkladu. Pro zrovnoměrnění koncentrace kyslíku v reakčním prostoru je vhodný stupňovitý přívod plynu do lože zpracovávaného materiálu. Je zřejmé, že snáze je zrovnoměrnění koncentrace reagujících látek i teploty dosahováno ve zplynovačích fluidního typu se stacionárním nebo cirkulujícím ložem. Fluidní lože může být vytvářeno buď částicemi zpracovávané suroviny, nebo přídavným materiálem (pískem apod.). Zplyňovací zařízení s fluidní vrstvou mají řadu výhod oproti jiným typům zplyňovačů: vyšší propustnost než zplyňovače s pevným ložem. lepší transport tepla a hmoty. použitelná větší různorodost paliva. netavící se popel. Na rozdíl od generátorů pracujících s pevným nebo sesuvným ložem je pro fluidní zplyňovače nutno zajistit určitou homogenitu předchozí úpravou zpracovávaných odpadů tříděním a drcením. Je zřejmé, že při zpracování odpadů obsahujících cizorodé příměsi by nehomogenita suroviny způsobovala provozní potíže. Pro zpracování biomasy i tříděných odpadů se zplyňovače se stacionární fluidní vrstvou jako vhodné rovněž s ohledem na relativně jednoduché konstrukční řešení [11] Technologická řešení procesu zplyňování Z hlediska pracovního režimu a spojení s návaznou technologickou linkou lze rozlišit čtyři hlavní kategorie zplyňovacích procesů: a) Jednostupňové zplyňování s výrobou synplynu využitelného po čištění k petrochemickým výrobám nebo energetických účelům b) Kombinované zplyňování+ spalování (close-coupled gasification + combustion) c) Vysokoteplotní gasifikace (Slagging gasification) d) Vysokoteplotní plazmová gasifikace (Arc gasification) 15

21 Konvenční proces zplyňování odpadů Typickým představitelem jednostupňového konvenčního zplyňování odpadů zaměřeného na výrobu energie je technologie ENERGOS, která byla vyvinuta v 90. letech minulého století a komerčně ji nabízí stejnojmenná společnost Energos Ltd., patřící do britské energetické skupiny ENERG-G [16]. Společnost v roce 2013 uváděla ve svých referencích celkem šest zařízení v provozu (viz kapitola 4.1) pro zpracovatelské kapacity cca 10 až 70 kt/r, nově tato firma deklaruje schopnost realizovat jednotky o zpracovatelském výkonu až 200 kt/r [17]. Aparátové uspořádání technologie Energos je znázorněno na Obrázku č. 5. Obrázek č. 5: Aparátová skladba zplyňovacího zařízení ENERGOS [16] Technologie je určena na energetické využití neupraveného zbytkového komunálního i průmyslového odpadu zplyňováním na roštu. Rošt je koncipován jako horizontální, pohyblivý a zplyňování probíhá za ekvivalentního poměru zhruba při teplotách okolo 900 C. Získávaný plyn (typické složení 14 % obj. CO, 5 % H 2, 4 % CH 4 ) poté po přídavku sekundárního vzduchu prochází oxidační komorou, odprášením a je posléze energeticky využit pro výrobu páry v parním kotli (2,3 MPa, 380 C) s následným využitím a následně pro dodávku tepla, eventuálně k výrobě elektřiny. V daném případě je uskutečňována výroba energie z primárně získaného energoplynu cestou parního cyklu, což je nejčastěji používaný způsob energetického využití plynných produktů zplyňování. Spaliny jsou v kotli vychlazeny pod teploty, které vylučují rekombinaci dioxinů a poté jsou za přídavku mletého vápence a aktivního uhlí) zbaveny ostatních nežádoucích škodlivin v bloku kombinovaného suchého chemického a mechanického čištění spalin. Ventilátorem jsou spaliny dopravovány do komína. Obdobně příkladem jednostupňového zplyňování tříděných odpadů s bezprostředním využitím vzniklého plynu k energetickým účelům byla technologie BIOFLUID společnosti ATEKO, a.s., Hradec Králové ve vápence Prachovice (viz stať 3.2.1). Kombinované zplyňování, event. pyrolýza + spalování Relativně samostatnou skupinu technologických řešení představuje kombinace pyrolýzního rozkladu s bezprostředně následujícím spalováním nebo gasifikací vzniklých produktů v jednom technologickém celku. Z uskutečněných realizací uvedených ve stati 4.1 lze jako příklad uvést pyrolýzně spalovací proces firmy Siemens (Schwel-Brenn-Verfahren, SBV) na zpracování rafinerských zbytků a nízkohodnotných odpadů za účelem produkce elektrické energie, resp. synplynu pro chemické syntézy, který byl provozován v letech 1995 až 1998 ve Fürthu (Německo) [18]. Po nízkoteplotní pyrolýze vstupního materiálu byly produkty rozkladu spalovány produktu při teplotě C a následně využity pro výrobu přehřáté páry a generování elektrické energie. Zařízení od roku 1998 neprovozuje. 16

22 Obdobně kombinaci pyrolýzního rozkladu a gasifikace využívá i technologické řešení Termoselect. V tomto případě po pyrolýzním rozkladu předupravené suroviny při 450 C na těkavé produkty a koksový zbytek byl tento zbytkový koksový podíl spalován kyslíkem a uvolněné teplo umožnilo v gasifikačním stupni dosáhnout teploty cca 1200 až 1300 C. Kalorický obsah vzniklých produktů byl využit pro výrobu přehřáté páry a následné generování elektrické energie [18]. Zdroj [2] s odvoláním na údaje firmy JFE Engineering Corp. uvádí, že energetickým využitím vzniklého synplynu lze pro export elektrické energie do vnější sítě produkovat 650 kwh e /t při zpracování odpadu o výhřevnosti 12,7 MJ/kg, resp. 450 kwh e /t při zpracování odpadu o výhřevnosti 10,6 MJ/kg. V Evropě byla v letech 1997 až 1999 realizována v Karlsruhe (Německo) velkotonážní jednotka s kapacitou 225 kt/r. Zařízení se do roku 2004 nepodařilo uvést do trvalého a spolehlivého provozu a jednotka v současné době již neprovozuje, nicméně v Japonsku je technologie Termoselect nadále provozována firmou JFE Engineering Corp. [2,19] Vysokoteplotní plazmové zplyňování odpadů Relativně samostatnou skupinu vysokoteplotních zplyňovacích procesů představují plazmové technologie. Princip plazmových procesů spočívá v rychlém rozkladu zpracovávaného materiálu v elektrickém oblouku za teplot cca 4000 až 5000 C. Elektrický oblouk je vytvářen plazmovými hořáky napájenými stejnosměrným proudem. Anorganické podíly odpadu vytvářejí strusku v tekutém stavu, která je ze spodní části reaktoru odváděna a po ochlazení tvoří inertní zbytkový materiál se skelnou strukturou (vitrifikát)), který je vhodný konečnému uložení na skládku [18]. Organické podíly odpadu jsou pyrolyticky rozloženy na elementy a v prostředí za přítomnosti podstechiometrického množství kyslíku reagují za vzniku sloučenin termodynamicky odpovídajících vysokým pracovním teplotám, tedy plynné směsi s vysokým obsahem CO a H 2. Tento plyn s teplotou nad 1000 C je následně chlazen v kotli na výrobu přehřáté páry využitou následně ke kogenerační výrobě energie. Plyn po průchodu kotlem je podroben několikastupňovému standardnímu čištění k dosažení požadované kvality. Generovaný plyn může být následně využit chemicky pro petrochemické syntézy k získání metanolu, uhlovodíků apod. (viz stať 3.1) nebo jako plynné palivo. Ostré pracovní podmínky při rozkladu se promítají do konečných velmi nízkých hodnot termicky rozložitelných znečišťujících látek, včetně sloučenin skupiny persistentních organických polutantů.(viz tabulka č. 11 v stati 3.2.4). Výjimkou mohou být oxidy dusíku, k jejichž tvorbě naopak vysoká pracovní teplota přispívá, tudíž technologická linka čištění plynů by měla obsahovat stupen katalytické redukce oxidů dusíku. Uvádí se, že oproti procesu incinerace odpadů má plazmová technologie výhody spočívající v nižších investičních nákladech a ve vyšší účinnosti výroby elektrické energie, která má dosahovat 34 % vzhledem na kalorický obsah vnesený surovinou [20, 21]. Přestože internetové zdroje uvádí řadu komerčních informací, údaje o materiálové a energetické bilanci plazmové vysokoteplotní gasifikace jsou sporadické a neúplné. Určitou představu o podmínkách provozu některých plazmových technologií podává Tabulka č. 5. Při posuzování plazmových procesů je nutné mít na zřeteli, že na rozdíl od konvenčního zplyňování není plazmová technologie proces autotermní a část dodávky energie se děje prostřednictvím plazmových hořáků. Dodávka energie z vnějšího zdroje do systému se tudíž musí projevit i na vyšší produkci energeticky využitelných plynných produktů i na velikosti následně získané energie využitím energoplynu. V této souvislosti se jeví použitelné údaje v [22] k technologii plazmového zplyňování Plasco Conversion System, z nichž lze dopočíst, že pro zpracování 1 tuny odpadu o výhřevnosti 16,5 MJ/kg činila spotřeba elektrické energie plazmovými hořáky cca 900 kwh e /t. Z dat deklarovaných firmou Westinghouse Corp. pro komplex Tees Valley Renevable Energy Centre v Teeside (Velká Británie) (viz tab. 4.6) [23, 24] je možné odhadnout měrnou produkci elektrické energie pro export ve výši cca 1250 kwh e /t. Celkově lze konstatovat, že deklarované údaje o dosažitelné měrné produkci elektrické energie při aplikaci plazmových procesů jsou vyšší než u procesů konvenčního zplyňování a pohybují se v rozmezí cca 900 až 1500 kwh e /t zpracovaného odpadu pro hrubou výrobu, resp. v rozmezí cca 800 až 1000 kwh e /t pro čistý export elektrické energie. 17

23 Obecně spotřeba elektrické energie plazmovými procesy je významně ovlivněna složením zpracovávaného materiálu, zejména obsahem vlhkosti a nespalitelných podílů, které při vysokých teplotách přecházejí do vitrifikované formy. Z toho důvodu se technologie plazmového vysokoteplotního zplyňování nejeví vhodná například pro zpracování čistírenských kalů. 18

24 Tabulka č. 5: Provozní podmínky vybraných procesů plazmového zplyňování odpadů. Zpracováno na základě [22] Westinghouse Plasma Corporation Plasco Energy Group Startech Environmetal Corporation Solena Group InEnTec Licensor/ technologie/ lokalita Westinghouse Plasma Gasification Plasco Conversion Systém Plasma Converter System (PCS) Integrated Plasma Gasification Combined Cycle (IPGCC) Plasma Enhanced Melter (PEM) Zpracovávaný materiál Oxidační plyn komunální a průmyslový odpad vzduch, event. kyslík, dusík třiíděný komunální odpad (16,5 GJ/t) + plasty tuhé zbytky ze spalování nebezp. odpadů deklarována použitelnost i na komun. odpady nebezpečné a nemocniční odpady vzduch v minim. množství žádný vzduch obohacený kyslíkem kyslík a přehřátá pára Teplota v oblouku nad 3000 C C C C - Teplota při zplyňování C 1250 C 700 C Tlak atmosférický atmosférický slabý podtlak atmosférický atmosférický Složení produkčního plynu před čištěním (% obj.) Výroba energie el. energie Pozn.: 15,88 % H 2, 40,37% CO, 3,55 % CO 2, 37,33 % H 2O - z dat [LB 24a, LB 24b] dopočtena hrubá výroba 1250 kwhe/t. Energetická účinnost - Investiční náklady pro 265 t/d IN=65 mil. USD, projekt pro 3000 t/d IN=425 mil.usd Jiné informace - hrubá výr kwhe/t, export 1000 kwhe/t 76% energie vstupní energie (W+el.) do synplynu pro 68 kt/r IN=36 mil. USD, měrné IN do 530 USD/(t/r) spotřeba el. energie plazmovými hořáky 900 kwh e/t, LHV=16,5MJ/kg *** uvažován poplatek na bráně 40 CAD/t, 800 Kč/t * údaj o hrubé výrobě elektrické energie 2500 kwhe/t odpadu se jeví nadsazený 52% H 2, 26% CO, % CO 2, ; % N 2, < 1% CH 4, < 1 % CxH y 73 % vstupní energie (W+el.) do synplynu 2 kt/d (500 kt/r), IN=250 mil. USD, tj. 500 USD/(t/r), 3 mil. USD/(t/h) ** spotřeba el. energie plazmovými hořáky dle [23] má činit jen 25 % z celk. spotřeby. Nereálně nízké - 42,53% H 2, 45,29 % CO, 4,35 % CO 2, 0,11 % H 2S, 0,05 % HCl, 2,56 % C 2H 6, 5,2 % N 2 export el.energie 1000 kwhe/t [22], hrubá výr. el.en. dle [23] až 2500 kwhe/t * Efektivita výroby el. en. pro export dle [23] 35,5 % dle projektů: 75 mil. USD (130 kt/r), 45 mil.usd (50 kt/r), 12 mil. USD (24 kt/r) vlastní spotřeba el. energie 727 kwh e/t. ** LHV odpadu =18,8 MJ/kg, 35,6%H 2, 46,8 %CO, 11,8% CO 2,1,5% H 2O, 3,3 % N 2 není není pro projekt 290 t/d (90 kt/r) 120 mil. USD *** dopočteno na základě údajů v [22] - 19

25 3. Dosažitelné efekty pyrolýzy a zplyňování odpadů Pyrolýza resp. zplyňování uhlíkatých surovin jsou známé technologie, které svoje uplatnění nacházejí jak při zpracování klasických fosilních paliv (uhlí, koks, ropné frakce), tak při termickém zpracování biomasy [25]. Aplikace těchto technologií pro termické zpracování odpadů je poměrně nová a tyto aplikace lze datovat zejména od konce minulého století. Zatímco přímé spalování odpadů je vedeno záměrně s cílem vytvoření finálních produktů oxidačních reakcí (CO 2, H 2 O, nespalitelné zbytky), vedou technologie pyrolýzy nebo zplyňování k současnému vzniku produktů nedokonalé oxidace, tj. H 2, CO, lehčích uhlovodíků a kyslíkatých organických sloučenin. Produkty nedokonalého rozkladu jsou schopny následných oxidačních reakcí, tudíž kalorický obsah těchto látek může být využit v následujících technologických krocích zaměřených na získání energie, alternativně mohou být vzniklé meziprodukty použity jako výchozí suroviny petrochemických syntéz nebo po rafinaci k získání uhlovodíkových frakcí a paliv [7]. 3.1 Využití produktů pyrolýzy a zplyňování k chemickým účelům Schématické znázornění využitelnosti produktů zplyňování, resp. pyrolýzy k chemickým účelům je ilustrováno na Obrázku č. 6. Obrázek č. 6: Potenciální chemické využití produktů pyrolýzy a zplyňování odpadů Využití plynných produktů zplyňování obsahujících vodík a oxidy uhlíku může být vedeno k získání alkoholů nebo cestou známé Fischer-Tropschovy syntézy k získání nasycených nebo nenasycených alkanických uhlovodíků podle stechiometrických rovnic: CO 2H 2 CH3OH (26) CO2 3H2 CH3OH H2O (24) CO (2n 1) H C H n H O (28) n 2 n 2n

26 n CO 2n H (29) 2 CnH2n n H2 Z tvaru stechiometrických rovnic je zřejmé, že optimální poměr mezi vodíkem a oxidem uhelnatým ve vyrobeném syntézním plynu je přibližně 2:1 mol/mol. Tento poměr není v primárně získaném plynu ze zplyňování uhlíkatých surovin obvykle dosahován a tudíž v případě, že poměr reaktantů v surovém syntézním plynu nesplňuje přímo podmínky návazných technologických operací, využívá se známá konverzní reakce mezi CO a H 2 O provedení potřebné úpravy. Technologie musí zahrnovat odstranění nežádoucích komponent působících jako katalytické jedy. Pracovní podmínky při Fischer-Tropschově syntéze jsou přibližně následující [26]: Teplota cca 200 až 350 C Tlak 100 až 130 bar Poměr H 2 /CO 2:1 mol/mol Max. obsah CO 2 do 7 % obj. Max. zbytkový obsah sirných látek ppm Vol. Katalyzátor oxidy a sloučeniny Co, Ni, Fe Nastavení pracovních podmínek a použitý typ katalyzátoru mají značný vliv na charakter získávaných produktů a reakce mezi CO a H 2 může vést buď k preferenci uhlovodíků, nebo kyslíkatých sloučenin ve vzniklém produktu. Při vedení syntézní reakce s cílem výroby metanolu lze tento produkt použít buď přímo jako komponentu paliv nebo jej využít k dalším petrochemickým syntézám. Pro palivářské využití metanolu je zajímavá reakce s terc.i-buténem za vzniku antidetonační přísady do autobenzínů (MTBE, metylterc.butyl-eter). Alkanické vyrobené uhlovodíky lze následně reformovat na vysokooktanové aromatické sloučeniny. Pokud pyrolýza uhlíkatých surovin, včetně odpadů, probíhá za méně ostrých podmínek, vzniká vedle plynných produktů (vodík a lehké uhlovodíky) převážné množství uhlovodíkových frakcí, jejichž destilační rozmezí odpovídá benzinovým nebo středním destilačním frakcím. Produkty pyrolýzy obsahují vedle aromatických sloučenin i značný podíl nenasycených látek, tudíž před jejich použitím jako komponent motorových paliv je nutná hydrogenační rafinace. 3.2 Využití produktů pyrolýzy a zplyňování odpadů k energetickým účelům Na možnost využití kapalných produktů pyrolýzy k výrobě komponent motorových paliv je poukázáno v předcházející stati 3.1. Při záměru dosáhnout energetické využití plynných produktů rozkladných procesů přichází v úvahu především technologie zplyňování. Při záměru dosáhnout energetické využití plynných produktů zplyňování přichází v úvahu následující postupy, event. jejich kombinace: Přímé spalování vzniklých produktů Výroba elektrické energie a tepla prostřednictvím tepelných strojů (parní cyklus, plynová turbína, plynový motor apod.). Popis základních možností využití energoplynu k výrobě energie je proveden v následujícím textu Přímé spalování energoplynu Využívání produktů pyrolýzy odpadů přímo k výrobě energie není běžně realizováno, nicméně jako příklad lze uvést spojení technologie pyrolýzy odpadů s teplárnou Westfalen, kde část paliva pro výrobu páry představují produkty z rotační pyrolýzní pece vytápěné nepřímo zemním plynem [27]. Další příklady realizací pyrolýzních jednotek jsou uvedeny v Tabulce č. 12 v kapitole 4.1. Příkladem přímého použití energoplynu vzniklého zplyňováním tříděných odpadů může být zařízení BIOFLUID realizované firmou ATEKO, a.s., Hradec Králové v roce 2003 [28, 29]. Jednalo se o 21

27 jednotku zplyňování tříděného komunálního odpadu, jejímž účelem byla výroba energoplynu následně využitého pro krytí části tepla v peci na výrobu páleného vápna ve vápence Prachovice. Jako surovina sloužil tříděný komunální a průmyslový odpad (TAP) o výhřevnosti 18,5 MJ/kg. Zpracovatelský výkon činil 700 kg/h. Zplyňování probíhalo ve fluidním reaktoru s cirkulujícím ložem s použitím předehřátého vzduchu na teplotu 300 až 500 C. Úlet z reaktoru byl odlučován v cyklónu a vracen zpět do reaktoru. Technologické řešení odpovídalo systému s bezprostředním napojením na spalovací stupeň, jímž byla vápenářská pec. Spalováním vyrobeného energoplynu bylo kryto asi 50 % celkové potřeby tepla v peci. Asi po roce provozu bylo zařízení odstaveno, přičemž hlavní příčinou byly problémy spojené se vznikem dehtovitých podílů. Ze zveřejněných dat o složení zpracovávaného tříděného odpadu a produkovaného plynu [28, 29] (uvedeno v Tabulce č. 6 a Tabulce č. 7) bylo možné učinit závěr, že v daném případě činila měrná produkce energoplynu cca 2115 Nm3/t suroviny o výhřevnosti 18,5 MJ/kg, přičemž energetická účinnost procesu zplyňování činila 74,2 % vzhledem na vnesený kalorický obsah zpracovávanou surovinou. Ekvivalentní poměr byl vyhodnocen na hodnotu = 0,277, reálná měrná spotřeba vzduchu pro zplyňování byly vyhodnocena na 1309 Nm3/t. Tyto detailnější údaje informace jsou zde uvedeny z důvodu, že pro posouzení dosažitelného energetického zisku alternativními způsoby v kapitole 5.1 byly jako výchozí údaje pro výpočty použity informace o složení odpadu a množství i složení produkovaného energoplynu. Tabulka č. 6: Složení odpadu při zplyňování ATEKO (zpracováno dle [28] o složení vlhkého vzorku) Druh vzorku Veličina Jednotka Hořlavina Suchý vzorek (hořl. + anorg.) Vlhký vzorek Obsah C % hm Obsah H % hm Obsah N % hm Obsah O % hm Obsah S % hm Obsah Cl % hm Obsah F % hm Obsah P % hm Obsah vody % hm Anorg. Podíl % hm Obsah hořlaviny % hm Výhřevnost MJ/kg Tabulka č. 7: Tvorba a složení energoplynu při zplyňování ATEKO [28] Charakteristika Jednotka Hodnota Složení produkčního plynu H 2 % obj CO % obj CO 2 % obj CH 4 % obj C 2H 4 % obj C3H8 % obj

28 N 2 % obj H 2O % obj Dehtové podíly g/nm3 6 TZL g/nm3 7 Produkce plynu a kalorický obsah Výhřevnost MJ/Nm Měrná tvorba plynu Nm3/kg 2,115* Výroba energie využitím tepelných strojů Transformací odpadů zplyňováním se získají plynné produkty, které je možné v následujících krocích využít k výrobě elektrické i tepelné energie. Jak bylo uvedeno ve statích a 3.2.1, činí výhřevnost produkovaného energoplynu v případě zplyňování biomasy nebo tříděných odpadů se vzduchem přibližně 4 až 7 MJ/Nm3. V případě zplyňování s plynem obohaceným kyslíkem nebo s téměř čistým kyslíkem jsou v gasifikačním reaktoru dosahovány teploty nad 1000 C a produkovaná plynná směs má výhřevnost nad 10 MJ/Nm3. Vzniklý energoplyn je možné využít k výrobě energie například s využitím Rankinova parního cyklu nebo aplikací tepelných strojů, tj. plynové turbíny, spalovacího plynového motoru, Stirlingova motoru apod. Základní možností kombinované výroby tepla a elektrické energie využitím energoplynu ze zplyňování odpadů pro případ použití parního cyklu, kombinace plynové a parní turbíny nebo aplikací plynového spalovacího motoru jsou schematicky znázorněny na obrázku č. 7 až obrázku č. 9. Využití parního cyklu Schematické znázornění technologického uspořádání k využití energoplynu k výrobě elektrické a tepelné energie aplikací parního cyklu je uvedeno na obrázku č. 7. Obrázek č. 7: Schéma využití energoplynu ke kombinované výrobě elektrické energie a tepla aplikací parního cyklu 23

29 Entalpický obsah plynného produktu vystupujícího ze zplyňovacího reaktoru může být využit k ohřevu vzduchu pro zplyňování, eventuálně k ohřevu v rámci systému výroby páry. Následně je energoplyn zaveden do spalovací komory s vestavěným teplosměnným systémem pro výrobu přehřáté páry. Vystupující spaliny musí být vyčištěny od všech nežádoucích složek tak, aby splňovaly závazné požadavky na exhalace z procesů spalování odpadů podle příslušných předpisů ČR i EU [30, 31, 32]. K vyčištění plynu jsou použitelné technologické postupy aplikované běžně při čištění spalin ze spaloven odpadů zahrnující mechanické čištění v látkovém nebo keramickém filtru, chemické odstranění halogenvodíků a oxidů síry. Jelikož zplyňování probíhá v redukčním prostředí, snižuje se tendence k vytváření látek skupiny polychlorovaných dibenzodioxinů a furanů (zkráceně dioxinů) a oxidů dusíku, tudíž není nevyhnutné zařazení stupně na odstraňování NOx a persistentních organických látek. Nicméně určitá možnost vzniku těchto látek existuje, o čemž svědčí údaje v tabulce 3.5. Obdobná situace je i v případě oxidů dusíku, jejichž tvorba je při zplyňování potlačena, avšak v závislosti na obsahu dusíku a podmínkách zplyňování se může se vytvářet nezanedbatelné množství amoniaku, jehož spalováním v kotli může dojít k nežádoucímu zvýšení koncentrace oxidů dusíku. V takovém případě je nutno řešit otázku odstraňování oxidů dusíku katalytickou nebo nekatalytickou cestou. Způsob řešení vlastní výroby energie prostřednictvím vyrobené přehřáté páry z přehřáté páry závisí na záměru jaká finální forma energie má být produkována. V případě zájmu o výrobu elektrické energie je použita soustava s protitlakou a kondenzační turbínou, v případě kombinované výroby tepelné a elektrické energie je použita soustava s odběrovou protitlakou turbínou, přičemž tlak za druhým stupněm je volen dle preferované formy vyráběné energie. Výroba elektrické energie a tepla kombinací plynové a parní turbíny Schematické znázornění technologického uspořádání k využití energoplynu prostřednictví plynové a parní turbíny a je uvedeno na obrázku č

30 Obrázek č. 8: Schéma využití energoplynu ke kombinované výrobě elektrické energie a tepla aplikací plynové a parní turbíny Entalpický obsah plynného produktu vystupujícího ze zplyňovacího reaktoru je využit k technologickým potřebám a hlavním účelem úprav plynu je dosažení kvalitativních parametrů odpovídajících požadavkům pro provoz plynových turbín. Tyto kvalitativní požadavky uvádí, viz Tabulka č. 8. Tabulka č. 8: Požadavky na kvalitu plynu pro využití v plynových turbínách a plynových motorech [33] parametr jednotka plynový motor plynová turbína poznámky základní charakteristika Výkonový rozsah MW 0,5 až 10 5 až 100 Roční fond prac.doby h/r kvalita vstupního plynu < 0,1 mg/nm3 < 50 < 40 až 100 Dehty mg/nm3 < 50 až 100 < 5 H 2S mg/nm3 <100 * HCl mg/nm3 <50 * NH 3 mg/nm3 <50 * Alkálie mg/nm3 < 1-2 < 0,2 Výhřevnost MJ/Nm3 > 4 > 5 ovlivní konc. SO 2 ovlivní konc. NO x 25

31 Z tabulky č. 8 je patrné, že požadavky na kvalitu kalorického plynu pro využití v plynových turbínách jsou ve srovnání s přípustnými ukazateli pro plynové spalovací motory výrazně přísnější, zejména pokud se týká zbytkového obsahu tuhých znečišťujících látek (TZL) a obsahu dehtů. Požadavky některých výrobců plynových turbín (např. Capstone Turbine Corp.) na kvalitu spalovaného plynu jsou natolik přísné [34], že tyto parametry by pro použití plynových turbín pro plyn ze zplyňování byly obtížně splnitelné Někteří výrobci plynových turbín, např. Capstone Turbine Corp., jsou v nárocích na kvalitu spalovaného plynu ještě náročnější [34] a jak uvádí Tabulka č. 9, některé parametry by pro použití těchto turbín pro energoplyn ze zplyňování byly obtížně splnitelné. Tabulka č. 9: Povolené kvalitativní parametry pro plynové turbíny Capstone [34] charakteristika jednotka povolená hodnota Obsah tuhých látek (TZL) ppm. hm. < 20 Velikost tuhých částic < 10 Obsah H 2O Obsah H 2 % obj. < 1 Obsah CO _ obj. < 5 Obsah Cl - ppm hm. < 1500 Obsah F - ppm. hm. < 150 Obsah H 2S ppm. obj. < 5 Kolísání výhřevnosti plynu % -10 až +10 poznámky % hm. 0 v kapalném stavu % obj. < 5 v plynném stavu (*) obtížně splnitelné Pozn.: *... Maximální obsah H 2O v plynném palivu musí být takový, aby za všech pracovních podmínek turbíny byla kondenzační teplota H 2O nejméně o 10 C nižší než je aktuální teplota plynu. S ohledem na přísné kvalitativní požadavky na energoplyn vedený do spalovací turbíny i vzhledem k tomu, že technologická linka pro úpravu a využití spalin za plynovou turbínou již nezahrnuje sekundární čištění spalin, představuje blok čištění plynu ze zplyňování dosti složitý celek [21]. Po ochlazení plynu je nutné provést účinný záchyt tuhých látek a aerosolů v keramických nebo látkových filtrech a odstranění kyselých složek (zejména HCl, HF a SO 2 ) mokrou vypírkou. Z plynu je rovněž nutné účinně odstraňovat amoniak, jehož spalováním může dojít k nežádoucímu zvýšení koncentrace oxidů dusíku. Po průchodu pračkou je plyn nízkotlakým kompresorem stlačen na tlak cca 0,5 MPa a následně je plyn veden do jednotky pro záchyt H 2 S. Sulfán je nutné ze syntézního plynu odstranit z důvodu korozívní povahy H 2 S a jeho škodlivých účinků na životnost plynové turbíny. Pro odstranění H 2 S může být použita technologie Low-Cut používající roztok chelatačního činidla na bázi železa sloužícího k převedení H 2 S na sulfidy železa. Před vlastním vstupem do plynové turbíny je nutné energoplyn komprimovat na tlak cca 2,5 až 3 MPa [21, 33]. Plynová turbína pracuje na bázi Braytonova cyklu [34, 35, 36] a expanzí spalin vzniklých spalováním paliva s vyšším přebytkem vzduchu cca 4 až 5) je generována elektrická energie a vzniklé spaliny vystupují s teplotou cca 450 až 550 C. Kalorický potenciál spalin je následně využit pro výrobu páry v kotli, jejímž využitím je v parním cyklu v protitlaké odběrové turbíně dále generována elektrická energie a teplo. Z uvedeného popisu je zřejmé, že technologické řešení s využitím plynové turbíny je poměrně náročné s ohledem na náročnost čištění plynu před vstupem do plynové turbíny i na vznik provozních rizik při nedodržení potřebné kvality paliva. Tyto okolnosti zvyšují investiční i provozní nároky. Zdroj [33] poukazuje na dva příklady instalací technologie s plynovou turbínou, a to ve Värnamo (Švédsko) a ARBRE (Velká Británie), pro které je uváděna celková doba provozu plynové turbíny 3600 hodin v prvním případě, resp hodin v druhém případě, přičemž obě technologie již neprovozují. 26

32 Výroba elektrické energie a tepla s využitím kogenerační jednotky s plynovým motorem Schematické znázornění technologického uspořádání k využití energoplynu prostřednictvím kogenerační jednotky s plynovým motorem je uvedeno na obrázku č. 9. Obrázek č. 9: Schéma využití energoplynu ke kombinované výrobě elektrické energie a tepla aplikací kogenerační jednotky s plynovým motorem Entalpický obsah plynného produktu vystupujícího ze zplyňovacího reaktoru je využit k technologickým potřebám a hlavním účelem úprav plynu je dosažení kvalitativních parametrů odpovídajících požadavkům pro provoz plynových motorů. Tyto kvalitativní požadavky obsahuje výše uvedená tabulka č. 8. Z této tabulky je patrné, že požadavky na kvalitu energoplynu pro využití v plynových motorech jsou ve srovnání s nároky plynových turbín méně přísné. Je nutné vycházet ze skutečnosti, že spaliny po výstupu z kogenerační jednotky s plynováým motorem plynového motoru nebudou již procházet žádným čištěním, tudíž vedle charakteristik, které mají vliv na chod motoru (obsah tuhých částic a obsah dehtů), musí být koncentrace H 2 S, halogenvodíků i oxidů dusíku sníženy na takovou úroveň, aby po jejich spálení ve spalovacím motoru byly v exhalacích dodrženy emisní limity platné pro spalování odpadů. Spalovací motory obvykle pracují s přebytkem vzduchu = 1,5 až 1,7. Efektivnost výroby elektrické energie v plynovém spalovacím motoru se pohybuje v rozmezí cca 31 až 36 % vzhledem na vstupní kalorický tok v přivedeném v plynném palivu, účinnost výroby tepla se pohybuje v mezích cca 49 až 51 %, celková energetická účinnost pro kogenerační plynovou jednotku Motorgas MGV [36] činí 82,2 až 85,6%. Pokud uvážíme, že vlastní proces zplyňování bude transformovat 74 až 80 % kalorického obsahu suroviny do energoplynu, pak s použitím kogenerační plynové jednotky je dosažitelná účinnost hrubé výroby elektřiny ve výši 24,6 až 26,5 % vzhledem vnesený kalorický tok zplyňovanou surovinou. Vytvořené teplo je kromě tepelných ztrát odváděno ve dvou proudech. Část tepla je odváděna chladící vodou na teplotní úrovni 90/70 C a druhou část představuje entalpický tok ve spalinách při teplotě cca 400 až 410 C. Formálně se celková účinnost výroby elektřiny a tepla v kogenerační jednotce s plynovým motorem pohybuje v mezích cca 82,2 až 85,6 %, avšak je nutno respektovat, že odvedené teplo v chladící vodě a ve spalinách nelze zcela využít pro dodávky do externí sítě. 27

33 3.2.3 Srovnání literárních dat o produkci energie využitím pyrolýzních a zplyňovacích procesů pro zpracování odpadů V literatuře lze nalézt řadu dat uvádějících dosažitelné efekty ve výrobě energie tepelné nebo elektrické energie při aplikaci různých technologií termického zpracování odpadů. Ačkoliv tyto technologie mohou splňovat kritéria vyžadovaná pro zařazení do skupiny procesů energetického využití odpadů (waste to energy), je srovnávání deklarovaných výsledků obtížné, protože z logických důvodů se informace z různých zdrojů vztahují ke zpracování materiálů lišících se svými vlastnostmi, zejména složením a výhřevností. Na základě dostupných dat ze zdrojů [2, 10, 20, 22, 23, 33, 38] byla zpracována tabulka č. 10 uvádějící deklarovanou měrnou produkci elektrické a tepelné energie při alternativních procesech termického zpracování odpadů. 28

34 Tabulka č. 10: Měrná produkce elektrické a tepelné energie při alternativních rozkladných procesech termického zpracování odpadů proces /licensor/lokalita/akce typ procesu (1) produkce elektřiny [kwh e/t] hrubá výroba do ext.sítě produkce tepla [kwh t/t] hrubá výroba do ext.sítě efektivnost výroby el.en. (2) zdroj poznámky Techtrade Burgau P % kt/r, LHV=8,5 MJ/kg Pyrolyzní procesy obecně P t/d (160 kt/r) Termoselect teor. hodnoty P+G % 22 LHV=12,0 MJ/kg Termoselect, JFE Japonsko P+G LHV=12,7 MJ/kg 2 P+G LHV=10,6 MJ/kg Tfp Basse Sambre, Keflavik Keflavik P+G % kt/r, LHV=12,5 MJ/kg Tfp Basse Sambre projekt P+G % kt/r, LHV=12,5 MJ/kg pyrolýza / zplyňování obecně G, P+G t/d (160 kt/r) Ebara projekt G % 22 Energos projekt G kt/r, LHV=12 MJ/kg Enerwaste projekt G Entech, Australie projekt G % 22 Nippon Steel Shin Moi G % kt/r, LHV=11 MJ/kg TPS Fluid bed systém Greve G % kt/r, plyn.+parní trub. Bioflow, Foster-Wheeler Värnamo G % - 30 kt/r, plyn.+parní trub. Zplyňování obecně G % - Westinghouse-Alter NRG Utashinai PL , 6% - 40 kt/r Westinghouse-Alter NRG Pune (Indie) PL nebezp.odpad, 20 kt/r Westinghouse-Alter NRG projekt PL Teedside, LHV=10,5 MJ/kg IPGCC, Solena Group, projekt PL % 20 LHV=18 MJ/kg IPGCC, Solena Group, projekt PL Chemoprag, studie PCP, Plasco Energ. Group projekt PL , 22 Chotíkov 100 t/d (30 kt/r), LHV=16,5 Plazmové procesy obecně PL t/d (160 kt/r) Pozn.: (1) typ procesu: P...pyrolýza, G...gasifikace, P+G. kombinace pyrolýzy a gasifikace, PL plazma (2) efektivnost výroby el. energie vyjádřena jako poměr exportované el. energie/vstupní kalorický obsah 29

35 Přestože z tabulky č. 10 je zřejmý značný rozptyl deklarovaných údajů o měrné produkci, energie alternativními procesy termického rozkladu, lze učinit určité závěry. Konvenční procesy zplyňování Pro procesy termického zpracování odpadů zaměřené převážně na výrobu elektrické energie jsou uváděny hodnoty hrubé (celkové) výroby elektrické energie v rozmezí převážně 500 až 750 kwh e /t, přičemž pro technologii Termoselect je deklarována hrubá výroba elektrické energie až 1050 kw e /t. Při vlastní technologické spotřebě elektrické energie u těchto procesů v rozmezí zhruba 100 až 400 kwh e /t činí dosažitelný měrný export elektřiny cca 400 až 750 kwh e /t. Nicméně pro získání upřesněné představy o dosažitelném energetickém zisku při konvenčním procesu zplyňování odpadů byly provedeny vlastní propočty s výsledky uvedenými v kapitole 5.1. Plazmové procesy Údaje o dosažitelné měrné produkci elektrické energie při aplikaci plazmových procesů jsou vyšší, ale rovněž vykazují větší rozptyl, a to v rozmezí cca 900 až 1500 kwh e /t zpracovaného odpadu pro hrubou výrobu, resp. v rozmezí cca 700 až 1000 kwh e /t pro čistý export elektrické energie. Z rámce těchto dat poněkud vybočují data uváděná v internetovém zdroji [20] k technologii vysokoteplotního plazmového zplyňování odpadů IPGCC firmy Solena Group ve výši až 2500 kwh e /t při zpracování odpadu o výhřevnosti 18,8 MJ/kg (viz Tabulka č. 5), což se jeví nereálně vysoké. V této souvislosti je nutné mít na zřeteli, že plazmová technologie není proces autotermní a část dodávky tepla potřebného pro průběh endotermických dějů se uskutečňuje prostřednictvím plazmových hořáků a dodávka energie z vnějšího zdroje se tudíž projeví i na vyšší energetické úrovni produktů. Celkově lze konstatovat, že ačkoliv dostupná data k dosažitelnému energetickému zisku při aplikací plazmových technologií se ukazují povzbudivá, vzhledem k nedostatku kompletních a seriózních provozních dat a zkušeností se jeví jako ne zcela prověřená Kvalita emisi z procesů termického rozkladu odpadů Z tabulky č. 11, která dle [22] uvádí typické dosahované koncentrace sledovaných znečišťujících látek v konečných exhalacích při zpracování odpadů pyrolýzními nebo zplyňovacími procesy, je patrné, že hodnocené technologie jsou schopny dosahovat kvalitu finálních spalin splňující příslušné předpisy pro exhalace ze spalování odpadů [30, 31]. Zvláště v případě plazmových technologií se ostré pracovní podmínky promítají do konečných velmi nízkých hodnot koncentrací termicky rozložitelných znečišťujících látek, včetně sloučenin skupiny persistentních organických polutantů (viz Tabulka č. 11). Pouze uváděna koncentrace HCl pro vybraný případ plazmového zplyňování odpadů by emisní limit překročila, je možné se však domnívat, že tuto okolnost nelze považovat za obecnou vlastnost plazmových procesů. Výjimkou mohou být oxidy dusíku, jejichž tvorba v prostředí s podstechiometrickým množstvím kyslíku je sice potlačena, naopak vysoká pracovní teplota k tvorbě oxidů dusíku přispívá, tudíž jen žádoucí, aby technologická linka čištění plynů plazmových procesů gasifikace zahrnovala stupeň katalytické redukce oxidů dusíku. 30

36 Tabulka č. 11: Typické dosahované koncentrace sledovaných znečišťujících látek v konečných exhalacích při termickém zpracování odpadů pyrolýzními nebo zplyňovacími procesy [22] proces /licensor typ procesu (*) Měrná tvorba spalin [Nm3/t] koncentrace [mg/nm3] 11% O2 TZL HCl HF SO 2 NO 2 CO Hg Cd+Tl PCDD/F [ng/nm3] Pozn1.: Techtrade P ,3-1,8 5,5-6, ,0066-0, Mitsui P+C - < <0, Termoselect P+G < Tfp Basse Sambre P+G Compact Power P+G , <0,003 Ebara G 2952 <1 2 - <2,8 29,3 <0, Nippon Steel G , Energos G ** <0, Enerwaste G ,5 - Westinghouse- Alter NRG PL ,6-25, ** 30,9-40, < <1, < emisní limit pro exhalace ze spaloven odpadů dle EU Directive: 2000/76/EC [LB 29b] a Vyhl. č. 415/2012 [LB 29a] 2000/76/EC ,05, 0.1 * typ procesu: P...pyrolýza, G...gasifikace, P+G. kombinace pyrolýzy a gasifikace, P+C kombinace pyrolýzy a spalování, PL plazma ** bez DeNOx Pozn. 2: Výše uvedená Tabulka č. 11 v originálním zdroji [22] má v hlavičce uvedeno, že koncentrace PCDD/F je v jednotkách by koncentrace PCDD/F v exhalacích varovně vysoké 0, ,00067 g/nm3], což může být omyl. Pokud by se nejednalo o překlep, byly 31

37 4. Současný stav ve výstavbě a realizaci provozních jednotek pyrolýzy a zplyňování odpadů 4.1 Provozní jednotky pyrolýzy a zplyňování odpadů Hranice mezi procesy pyrolýzy i zplyňování je sice určena přítomností či nepřítomností kyslíku v reaktoru, nicméně z důvodů, že nelze hermeticky oddělit reaktor od vnějšího prostředí a technologická řešení mnohdy kombinují pyrolýzu suroviny se zplyňováním nebo spalováním, je obtížné pyrolýzní a gasifikační procesy přesně oddělit Realizované jednotky pyrolýzy a zplyňování odpadů S ohledem na nepopulární postavení spaloven odpadů v očích veřejnosti se po roce 2000 jevilo pravděpodobné, že procesy zplyňování odpadů dosáhnou markantního rozvoje. Již v roce 2008 na prestižní konferenci k problematice termického zpracování odpadů v Montrealu (27th International Conference on Thermal Treatment Technologies) [19] poukázal K. J. Whiting na nesplnění optimistických předpokladů pro uplatnění procesů gasifikace pro zpracování odpadů v Evropě, kde zkušenosti s provozem pyrolyzních a zplyňovacích jednotek na zpracování odpadů jsou spíše rozpačité. Přehled zjištěných významnějších komerčních případů technologie pyrolýzy a zplyňování různých druhů odpadů je uveden v tabulce č. 12 a Tabulce č. 13. K zpracování tohoto přehledu byly využity informace dostupné ze zdrojů [6, 10, 18, 19, 39 až 45, 54]. Tabulka č. 12 se týká instalací v Evropě, údaje o realizacích mimo Evropu v Tabulce č. 13 nejsou zřejmě zcela kompletní. Do tohoto přehledu nejsou zahrnuty instalace vysokoteplotního plazmového zplyňování, jež jsou obsaženy v samostatném bodu 4.2 a v tabulce č

38 Tabulka č. 12: Přehled významnějších realizovaných pyrolýzních a zplyňovacích jednotek na zpracování odpadů v Evropě poř. č Proces licenzor (lokalita) Destrugas Pollution Control Kalundborg (Dánsko) PKA proces Keiner-Pyrolyse- Aalen, Freiberg (Německo) +Japonsko Burgau, (Německo) Deutsche Reifen Pyrolyse-DRP ] BKMI Günzburg (Německo) Techtrade (Burgau NDR) Hamm-Uentrop Deutsche- Anlage-Liesing, DAL Plaid, (Německo) PLEQ, (Německo) Termoselect (Karlsruhe, Německo), Termoselect- Südwest historie a komentář Dánská firma Pollution Control, Ltd., realizovala v roce 1971 poloprovozní pyrolyzní jednotku na zpracování komunálního odpadu. Výkon 6 t/d (odpovídá 2 kt/r). Pyrolýza probíhala v šachtové peci. Po krátké době odstaveno z provozu. [10] Dvoustupňový kombinovaný proces pyrolýzy a gasifikace. V bývalé NDR byla v 1978 postavena jednotka o kapacitě 25 kt/r a následně ve Freibergu postavena jednotka 28 kt/r pro zpracování drceného odpadu k vyrobě synplynu s následným energetickým využitím kalorického obsahu plynu v peci na tavení hliníku. Technologie byla v roce 2002 odstavena a zařízení demontováno. V Japonsku technologii PKA aplikovala firma Kawasaki s využitím spalovacích motorů Jenbacher na výrobu elektrické energie ze synplynu. Zařízení bylo v roce 2007 odstaveno a demontováno.[10, 19] Pyrolýza čistírenského kalu. [41, 43] V roce 1982 v Burgau (bývalá NDR) byla realizována pyrolyzní jednotka na zpracování čistírenského kalu s výkonem 5 kt/r. Pyrolýza odvodněného kalu probíhala v rotační peci (600 C, pec byla vyhřívaná spalinami ze spalování získaného pyrolýzního plynu 1200 C). Následovalo dělení plynných pyrolýzních produktů a pyrokoksu, spalovací komora pyrolýzního plynu (1250 C), využití tepla a čištění spalin. Obdobná technologie byla použita v Yiwu (Čína, Zheijan) a firmou TEPCO v Japonsku (blízko Tokia). O eventuálním pokračujícím provozu nejsou informace Firma DRP (dceřinná společnost firmy Eckelmann) realizovala v roce 1984 jednotku pyrolýzy drcených pneumatik ve dvou linkách, o výkonu 2x 1,0 t/h (odpovídá 15 kt/r). Pyrolýza probíhala v reaktorech s pohyblivým ložem při 700 až 800 C s cílem získat plyn odpovídající zemnímu plynu a uhlovodíkové frakce pro zpracování v rafinerii. Zkušební provoz probíhal po dobu 3 týdnů. Jednotka byla odstavena a ve vývoji nebylo nepokračováno. [10] Kombinovaný proces pyrolýzy a spalování Babcock-Krauss-Maffei-Industrieanlagen instalovala v Günzburgu (Německo) v letech 1984 až 1986 jednotku na pyrolýzu různých druhů odpadů (komunální odpad, průmyslové odpady z kožedělného průmyslu apod.). Jednotka má dvě linky, každá pro výkon 6 t/h (odpovídá cca 100 kt/r). Pyrolýza probíhá v nepřímo vyhřívané rotační peci za nižších teplot (470 až 500 C) za přídavku Ca(OH) 2. Nižší teploty jsou výhodné pro omezení emisí těkavých těžkých kovů. Jednotka je dle [10] v provozu, pouze rotační pece byly vyměněny. V roce 1987 realizována firmou Techtrade jednotka pyrolýzy a zplyňování k výrobě synplynu v Burgau (bývalá NDR). Zpracovávaná surovina: odpady i kontaminovaná zemina. Zpracovatelský výkon: 32 kt/r [10, 19]. Firma Deutsche-Anlage-Liesing, GmbH realizovala v Plaid (blízko Koblenze, Německo) jednotku pyrolýzy komunálního odpadu s výkonem 2 t/h (odpovídá cca 15 kt/r). Rotační pec měla průměr 1 m, délku 10 m. Jednotka provozovala 4 roky, datum neuvedeno. Zkoušky zpracování dalších materiálů: drcené pneumatiky, plasty apod. Výsledky zkoušek nedaly opodstatnění pro výstavbu další jednotky vyššího zpracovatelského výkonu. [10] Firma PLEQ vyvinula pyrolyzní proces na dekontaminaci zeminy zamořené olejem do obsahu 10 % hm oleje. Technologie byla použita na čištění pobřežních písků po havárii tankeru v Severním moři v Zpracovatelský výkon byl 8t/h (60 kt/r), teplota do 900 C. Technologie pracovala úspěšně několik roků, dalšího rozšíření nedosáhla. [10] Firma Termoselect vyvinula dvoustupňový pyrolýzně gasifikační proces. V prvním stupni (pre-gasification) probíhalo odplynění a prakticky pyrolyzní rozklad suroviny na těkavé produkty a koksový zbytek. Nerozložené zbytky byly v hlavním reaktoru spalovány kyslíkem a uvolněné teplo i teplo vzniklé oxidací vytvořených pyrolýzních produktů umožnilo dosažení teplot až 1200 C a průběh endotermických gasifikačních přeměn. Vzniklý plyn obsahoval převážně H 2, CO, CO 2 a H 2O a po ochlazení quenchováním mohl být využit jako synplyn pro získání metanolu, H2 nebo k energetickým účelům. Struska byla odtahována v tekutém stavu při teplotách kolem 1600 C [2]. Vysoká teplota odtahu zbytků spalování způsobovala problémy s emisemi těžkých kovů. Demonstrační proces o výkonu 110 t/d (odpovídá 35 kt/r) byl uskutečněn v letech 1992 až 1999 ve Fondotoche (Italie). Velkotonážní jednotka byla v letech 1997 až 1999 realizována v Karlsruhe (Německo), zahrnovala tři technologické linky o celkovém výkonu 3 x 250 t/d (odpovídá 225 kt/r). Zařízení se do roku 2004 nepodařilo uvést do trvalého a spolehlivého provozu a jednotka v 33

39 Siemens Fürth (Německo) [18, 19 38, 46, 47] VVBGC Bioflow Foster-Wheeler Värnamo (Švédsko) NEXUS Digny (Francie) TPS Fluidized bed system Greve-in-Chianty (Italie) Kimijärvi Powerplant Carbona, Certh Lahti (Finsko) Duotherm, (Recycled clean product, RCP) Von Roll Bremer-haven (Německo) GEM Graveson Energy Management (Velká Britanie) Compact Power (Ethos-energy, Avonmouth, (Velká Britanie) PIT Pyroflam system, SERPAC Tpf-Basse Sampre, současné době již neprovozuje [18, 44]. Byl záměr uskutečnit obdobnou realizaci v Ansbachu (Německo), který se však nerealizoval. Investiční náklady činily v přepočtu cca 3 mld. Kč [18]. Poznámky k provozujícím zařízením používajícím technologii Termoselect v Japonsku viz tabulka 4.2. Firma Siemens vyvinula dvoustupňový kombinovaný proces pyrolýzně spalovací proces (Schwel-Brenn-Verfahren, SBV) [18] na zpracování rafinerských zbytků a nízkohodnotných odpadů za účelem produkce elektrické energie, synplynu pro chemické syntézy. Systém zahrnuje úpravu materiálu drcením, pyrolýzu při 450 C, spalování pyrolyzního produktu při C, odtah tekuté strusky, výrobu přehřáté páry a generování elektrické energie, čištění spalin Jednotka o kapacitě 100 kt/r byla realizována ve Fürth (Německo) v 1995, v roce 1998 bylo zařízení odstaveno z provozu a následně demontováno. Investiční náklady činily 130 mil. Euro. [18]. Společnost Siemens v roce 1998 zastavila po cca 10 letech s konečnou platností další vývoj technologie V roce 1993 realizovala firma Foster-Wheeler ve Värnamo (Švédsko) tlakovou zplyňovací jednotku na dřevní štěpku a slámu s možností přídavku tříděného odpadu (TAP) se zpracovatelským výkonem 35 kt/r. Tlak 1,8 až 2,2 MPa, teplota 950 až 1000 C, produkovaný plyn o výhřevnosti 5 6 MJ/Nm3. Dvoustupňové využití energoplynu, jednak v plynové turbíně a teplo vzniklých spalin je využito v kotli pro výrobu páry s následnou výrobou elektrické energie v parní turbíně (4,2 MW +1,8 MW). Deklarována účinnost výroby elektrické energie 33 % [33,38], z toho plynová turbína 23 %, parní turbína 10 %. Celková energetická účinnost 83 %.Použit fluidní zplynovač s cirkulující vrstvou. Od roku 2000 odstaveno, turbína v provozu jen 3600 hodin [33]. V roce 1995 postavila firma Nexos demonstrační pyrolyzní jednotku na zpracování tříděného odpadu (TAP) s cílem produkce pyro-koksu a plynu pro následné energetické využití k výrobě tepla a elektrické energie. V roce 1998 obdržela tato společnost kontrakt na výstavbu provozní jednotky o kapacitě 30 kt/r v Digny (Francie), výstavba nedokončena, firma skončila v konkurzu [10]. V letech 1993 až 1998 provozováno fluidní zplyňování tříděného komunálního odpadu v reaktoru s cirkulující fluidní vrstvou. Denní výkon 100 až 200 t/d (odpovídá 30 až 60 kt/r). Výroba elektrické energie kombinací plynové turbíny a parního cyklu. Účinnost výroby elektrické energie 18 až 20 % [38]. Investiční cena 20 mil. USD. Po rekonstrukci v roce 2000 již neuvedeno do provozu [10, 22] V roce 1997 realizovaly firmy Carbona, VTT, TKK a Certh v Kimijärvi Powerplant (Lahti, Finsko) energoblok na výrobu elektrické energie a tepla kombinovaným spalováním uhlí (85%), zemního plynu (5%) a biomasy, event. tříděného odpadu (15 %). Celkový vstupní kalorický obsah paliv činí 2300 GWh t/r (8300 TJ/r). Biomasa je zplyňována ve fluidním zplynovači s cirkulující fluidní vrstvou. Dopočtený zpracovatelský výkon biomasy 70 kt/r. Vyrobený energoplyn ze zplyňování biomasy je zaveden do společného spalovacího zařízení vyrábějícího páru 540 C, 170 bar. Kogenerační výroba elektrické energie a tepla je uskutečněna parním cyklem s účinností 26 % na elektrickou energii (75 MW e) a 43 % pro výrobu tepelné energie (450 GJ/h). [38]. Společnost Von Roll vyvinula kombinovaný proces zpracování odpadů zahrnujícím pyrolýzu/gasifikaci a finální spalování produktů. Po odplynění odpadu v komoře s pevným roštem je tuhý pyrolyzní koks zbytek (koks) třístupňově zpracován. V prvním stupni je koks spalován s kyslíkem a nespálený podíl je v plastickém stavu odváděn do druhého stupně, kde dochází k elektrickému ohřevu až na 1500 C bez přídavku kyslíku a tavenina vzniklá v redukční atmosféře obsahuje metalurgicky využitelný koncentrát kovů (Fe, Ni, Cu apod.). Finálně je ohřev taveniny dosahován spalováním oleje s kyslíkem. Plynné produkty odplynění odpadu jsou vedeny do gasifikačního reaktoru. Produkovaný plyn je finálně spalován a uvolněné teplo je energeticky využito. V roce 1998 bylo uvedeno do provozu zařízení o nominálním zpracovatelském výkonu 6 t/h, deklarován dosažitelný výkon 8 t/h, roční zpracovatelský výkon 42 kt/r (odpovídá 50 až 60 kt/r) [10, 44]. Společnost GEM realizovala v Bridgend (Wales, velká Britanie) dvě jednotky o výkonu 6 kt/r, resp. 12,5 kt/r se záměrem získávání syntézního plynu cestou tzv. rychlé pyrolýzy odpadů. Datum a další údaje v [10, 19] neuvedeny, konstatováno, že obě jednotky byly demontovány a firma GEM se dále ve vývoji neangažuje. Třístupňový proces: pyrolýza-gasifikace-spalování vyrobeného plynu. Využití energie parním cyklem. Na základě několikaletých zkušeností firmy Compact Power z provozu demonstrační jednotky na zpracování nemocničního odpadu o kapacitě 8 kt/r byla firmou Ethosenergy v 90. letech projektována jednotka o kapacitě 32 kt/r v Avonmouth (Velká Britanie). Dotace z evropských fondů měla činit 5 mil.. Po zastavení podpory k uvedení jednotky do provozu nedošlo. [10,19] V letech 1996 až 1998 zkušební provoz pyrolyzní technologie P.I.T. PYROFLAM firmy SERPAC, v blízkosti Budapesti. Zpracovatelský výkon 11 kt/r. Bližší podrobnosti neudány.[10, 22]. 34

40 Budapest (Maďarsko) British Gas LURGI Schwarze Pumpe, GmbH (Německo) Con-Therm proces MDEU, PLEQ, Techtrade Hamm-Uentrop (Německo) Varkaus Foster-Wheeler (Finsko) Arbre (V. Britanie) Enerkem, Castelon (Španělsko) BIOFLUID, ATEKO, a.s. Prachovice (ČR) Kopf AG Balingen (Německo) Techtrade Altreifenpyrolysen-anlage Limasol, (Kypr) Latecotecprocess Füssen (Německo) THIDE Arras, Francie V komplexu Sekundärrohstoff-Vewertungszentrum Schwarze Pumpe, GmbH (Německo) bylo v roce 2000 instalováno zplyňovací zařízení pro zpracování komunálního a průmyslového odpadu se zpracovatelským výkonem 30 t/h (odpovídá 240 kt/r). Jako surovina byly použity různé směsi upraveného paliva: pelety TAP, dehtové zbytky, kontaminovaná biomasa apod.. Obvykle probíhalo spoluzplyňování odpadů s drceným uhlím v poměru odpady/uhlí 4:1 Použit zplynovač LURGI s pevným ložem. Jako zplyňovací plyn byl použit kyslík, dosahované teploty 1200 až 1400 C. Určeno pro produkci elektrické energie (75 MW e) a synplynu pro syntézu metanolu (75 kt/r). Jednotka provozovala několik roků s poměrně dobrými výsledky, od roku 2007 je mimo provoz. Technologie společné pyrolýzy směsi kalorických podílů tříděného komunálního odpadu a uhlí. Pyrolýza probíhala v rotační peci. Vyvinuto firmou Mannesmann-Demag-Energie Umwelttechnik (MDEU) a PLEQ. V roce 2001 realizována jednotka o kapacitě 100 kt/r v Hamm (Německo) jako součást elektrárny, kde plynné a zkapalnitelné produkty pyrolýzy nahrazovaly část potřeby paliva. Pyrolyzní koks byl drcen a společně s práškovým uhlím spalován. Ve vývoji pokračovala firma Techtrade a PLEQ. V roce 2009 došlo k havarii a jednotka byla odstavena z provozu [10,19] V roce 2001 realizovala firma Foster-Wheeler ve Varkaus (Finsko) zplyňovací jednotku na biomasu (dřevní štěpka, sláma, resp. tříděný odpad) s účinností výroby elektrické energie 33 %. Je použit fluidní zplynovač s cirkulující vrstvou. Využití energoplynu je jednostupňové a je založeno na spalování v kotli a využitím parního cyklu ke kogenerační výrobě tepla a elektrické energie. Udává se [38], že výroba elektrické energie činí 20 MW e a výroba tepla činí 25 MW t. Dopočtená zpracovatelská kapacita činí cca 100 kt/r. V roce 2002 zprovozněna jednotka atmosférického zplyňování biomasy (nikoli odpadů). Zplyňování při 850 až 900 C, produkce plynu o výhřevnosti 5,4 MJ/Nm3, výkon plynové turbíny 4,8 MW e, výkon parní turbíny 5,3 MW e, celková účinnost výroby el. energie 31 %. Provoz trval jen 1000 hodin. Po krachu neuvedeného investora odstaveno [33] Kanadská firma Enerkem realizovala v roce 2002 v Castelonu (Španělsko) zplyňovací jednotku na zpracování plastů ve fluidním reaktoru na výrobu energoplynu, který byl následně použit pro výrobu elektrické energie ve spalovacím motoru. Kapacita 25 kt/r. [10]. Toto zařízení není již v provozu [19] V roce 2003 realizovala firma ATEKO, a.s., Hradec Králové, jednotku zplyňování tříděného komunálního odpadu BIOFLUID. Technologické řešení odpovídá systému close coupled gasification+combustion s bezprostředním napojením na spalovací stupeň. Účelem byla výroba energoplynu následně využitého pro dodávku tepla v peci na výrobu páleného vápna ve vápence Prachovice. Jako surovina sloužil tříděný komunální a průmyslový odpad (TAP) o výhřevnosti 18,5 MJ/kg. Zpracovatelský výkon činil 700 kg/h (odpovídá 5 kt/r). [28, 29] Dopočtená měrná produkce energoplynu o výhřevnosti 6 až 7 MJ/Nm3činí cca Nm3/t. Celková termická účinnost procesu gasifikace činila 74 %. Asi po roce provozu bylo zařízení odstaveno. Firma Kopf, AG, uvedla v roce 2005 do provozu zplyňovací zařízení vysušeného čistírenského kalu v Balingenu u Mannheimu (Německo). Jedná se o pilotní jednotku, zpracovatelský výkon není v [10] uveden. Zařízení bylo i v roce 2011 v provozu. V roce 2006 započala výstavba pyrolyzní jednotky na zpracování drcených ojetých pneumatik, investor CBp Caron Industries Europe. Technologie TechTrade, zpracovatelský výkon 6 kt/r Bližší podrobnosti [10] neudává. Nízkoteplotní katalytický rozklad vysušených čistírenských kalů při teplotách 350 až 400 C. V roce 2008 realizována demonstrační jednotka pyrolýzy vysušeného čistírenského kalu ve Füssenu (Německo) pro zpracovatelský výkon 1,4 kt/r sušeného kalu (5 kt/r odvodněného kalu) [10] Pyrolyzní technologie firmy Thide. V roce 2009 byla realizována jednotka na zpracování tříděného komunálního odpadu o výkonu 50 kt/r v Arras (Francie). Výroba pyro-koksu a olejových podílů, které sloužily k výrobě elektrické a tepelné energie. Firma Thide se dostala do konkurzu a následně firma HITACHI Ltd. realizovala 3 jednotky se stejnou technologií v Japonsku. Zkušenosti z provozu ve Francii byly neprůkazné [10, 19]. 35

41 ENERGOS (Norsko, Německo, Velká Británie) Biossence Novera, Merseysaide (Velká Británie) Integrated multifuel gasification, (IMG) Bellwether gasification technologies Metso fluidised bed gasification, Metso Lahti (Finsko) Pyrolýza drcených pneumatik Mliečany u Dun. Stredy, Slovensko Společnost Energos (UK, Norsko) vyvinula dvoustupňový zplyňovací proces na biomasu i komunální a průmyslový odpad a realizovala 5 jednotek v Norsku (Ranheim, Averos, Hurum, Sarpborg, Forus) a jednu jednotku v Německu. (Minden). Dle [44] je v Isle of Wight v provozu jednotka zplyňování odpadů používající technologii Energos s kapacitou 30 kt/r. Zpracovatelský výkon realizovaných a provozujících jednotek je v rozmezí 10 kt/r až 70 kt/r, úhrnný zpracovatelský výkon je 220 kt/r 38]. Ve vývoji technologie firmy Energos v gasifikačních procesech pokračuje firma Ener-G. [10,19,38] Jedná se o několik projektů na výstavbu zplyňovacích zařízení ve Velké Britanii, z nichž největší byl plánován v Merseysaide (Kent), kde se má (mělo) zpracovávat zplyňováním až 400 kt/r komunálních odpadů k výrobě syntézního plynu se záměrem následně produkovat ročně 90 kt/r komponent motorových paliv Zahájení výstavby mělo být v roce 2011 [10]. Firma Biosscene převzala technologii Enerkem. V současné době nejsou k dispozici bližší informace. Firma Bellwether gasification technologies, Ltd. inzerovala schopnost dodávky zplyňovacích jednotek na zpracování vysoce výhřevných odpadů nebo materiálů s vysokým obsahem kovů. Literární zdroj [10] se odkazuje se na níže uvedené reference bez dalších podrobností. Brašov (Rumunsko), 100 kt/r, investor Dunarea, SA Vaslui (Rumunsko), 90 kt/r, investor Dunarea, SA Veneto, Metal Recycling Anlage, 60 kt/r, Venetto (Italie) Firma METSO instalovala v Lahti (Finsko) technologii fluidního zplyňování umožňující výrobu elektrické energie ve výši 2x 25 MW e spalováním vyčištěného energoplynu a využitím parního cyklu. Časové a další údaje v [22] neuvedeny V roce 2012 realizovala firma DRON-Sklady, s.r.o., v Mliečanech u Dunajské Stredy zařízení pro pyrolýzu drcených ojetých pneumatik pro zpracovatelský výkon 15 kt/r. Použitá technologie DSSC/SCA je výsledkem vývoje na pracovišti Chemicko-technologické a potravinářské fakulty Slovenské technické univerzity v Bratislavě [67, 69, 70]. Zařízení provozuje při projektovaném výkonu i v současné době [67]. Produkce pyroplynu ční cca 20 % hm. a je dostačující pro krytí energetických nároků. 36

42 Tabulka č. 13: Vybrané pyrolýzní a zplyňovací jednotky realizované mimo Evropu poř. č Proces licenzor (lokalita) Mitsui Petrochemical Industries MWC-Process Kobe Steel, Akroh, (Japonsko) Mitsubishi, Nízkoteplotní pyrolýza čistírenských kalů, Termoselect JFE Nippon Steel Ebara Fluid Bed Gasification (Japonsko) TwinRec Process Alstom+ Ebara Japonsko historie a komentář Společnost Mitsui Petrochemical Industries realizovala v roce 1971 v Chiba (Japonsko) proces Mitsui Plastic Thermal Cracking, MWC. Jedná se o nízkoteplotní pyrolyzu na rozklad plastů při teplotě 330 až 430 C za zvýšeného tlaku. Po ochlazení plynných produktů rozkladu činí výtěžek plynů 5 %, kapalných frakcí 85 % hm. Další údaje [10] neuvádí). V 80. letech firma Kobe Steel realizovala demonstrační jednotku na pyrolýzu ojetých pneumatik s výkonem 200 kg/h, následně byla v Akroh realizována provozní jednotka o výkonu 2 t/h (15 kt/r). Pyrolýza drcených pneumatik na velikost 30 mm probíhala při 600 až 900 C. Uvádí se, že jednotka je odstavena [10]. Firma Mitsubishi Heavy Industries realizovala v roce 2000 poloprovozní zařízení nízkoteplotní pyrolýzy čistírenských kalů v rotační peci pro zpracování 120 kg/h sušiny. Je uváděno, že v roce 2006 a 2007 došlo k realizaci 4 jednotek osazených rotačními pecemi (průměr 1,6 m, délka 15 m). Další údaje nejsou k dispozici [10] V Japonsku je technologie Termoselect provozována [2, 19]. Společnost JFE navázala na původní technologii Termoselect a realizovala vlastní postup (HTG - High Temperature Gasifying and Melting System) v 6 případech. Zpracovatelské výkony japonských jednotek na zpracování komunálního odpadu touto technologií se pohybují na úrovni 50 až 300 kt/r. (v Mutsu 280 kt/r, pro Nagasaki, Kurashiki, Yorii, Tokushima, Osaka neuvedeno). V Chiba v roce 2000 byla firmou Hitsubishi Materials realizována jednotka kombinované pyrolýzy a zplyňování komunálního a průmyslového odpadu s kapacitou 2x 100 kt/r, která je založena na technologii Termoselect. Využití produkovaného synplynu je v plynových motorech Jenbacher s výkonem 2x 1,5 MWe. [38]. Nejsilnější japonskou firmou v aplikaci procesu zplyňování je Nippon Steel Corp., která dle [10] v roce 2011 provozovala 26 zařízení na zpracování odpadů. Největší provozy jsou: Ibaraki: 400 t/d (130 t/r, od 1980), následně rozšířeno o bloky na zpracování 270 t/d (90 kt/r, od 1996) a 135 t/d (45 kt/r, od 1999). Iryu-kumiai: 110 t/d (35 kt/r a 130 kt/r od roku 1997 Kagawatobu-kumiai: 120 t/d (40kt/r, od 1997) Iizuka: 116 t/d (38 kt/r, od 1998). Toto tvrzení dokladuje obr. 4.4 Firma Ebara je nositelem technologie Ebara- fluid bed gasification. Surovinou je komunální odpad. Celkový zpracovatelský výkon neuvedeného počtu jednotek realizovaných firmou Ebara je 2600 t/d (odpovídá 850 kt/r) [38]. Zdroj [19] uvádí jako příklad realizaci jednotky na zplyňování plastů o kapacitě 100 kt/r pro firmu Ube Indrustries. Vyrábí se synplyn pro následnou syntézu čpavku a posléze pro výrobu umělých hnojiv. Firmy Alstom a Ebara vyvinuly společnou technologii vysoko-teplotního zplyňování a následného spalování vyrobeného energoplynu TwinRec Proces. 7 Thide Hitachi Pyrolyzní technologie firmy Thide na zpracování tříděného komunálního odpadu byla realizována firmou HITACHI Ltd. ve třech případech v Japonsku. Získával se pyrokoks a olejové podíly, které sloužily k výrobě elektrické a tepelné energie. [10, 19] Ebara, Nippon Steel, J. Korea Occidental Petroleum Comp. (San Diego, USA) Monsanto, Enviro- Chem. Systems (St. Luis, Baltimore Jižní Korea V letech 2008 až 1012 bylo v Jižní Korei realizováno 6 jednotek zplyňování odpadů s celkovou zpracovatelskou kapacitou 325 kt/r. Z toho 4 jednotky dodala firma Ebara Corp. a 2 jednotky firma Nippon Steel Corp Jiné země V letech realizovala firma Occidental Petroleum Comp proces na pyrolýzu odpadů o výkonu 90 t/d (odpovídá 30 kt/r). Surovina: drcený komunální odpad. Jednotka není již v provozu. [10] V letech 1973 až 1979 realizovala a provozovala firma Monsanto, Enviro-Chem. Systems dvě pyrolyzní jednotky na zpracování drceného komunálního odpadu v St. Luis a v Baltimore. Zpracovatelský výkon 450 t/d (odpovídá 150 kt/r). Průměr rotační pyrolýzní pece je 6 m, délka 30 m. Po technických potížích v roce 1979 bylo zařízení odstaveno a 37

43 USA) firma Monsanto od technologie ustoupila [10]. Union Carbide System (Purox) Charleston, (USA) Latecotec-process Burlington (Kanada) Perth (Australie) PROLER syngas systém Houston, (USA) Enerkem, Quebec, Sherbrooke, (Kanada) Brightstar Environ-mental, SWERF, Wollong-gong (Austalie) ENTECH + New Energy Corporation (Australie) WtGas-Res Společnost Union Carbine vyvinula kombinovaný proces pyrolýzy odpadu a zplyňování. Pyrolýza drceného odpadu probíhala v šachtové peci, produkty byly zplyňovány kyslíkem přivedeným v podstechiometrickém množství s cílem výroby synplynu. Demonstrační jednotka byla uvedena do provozu v 80. letech v Charleston (USA) s výkonem 90 t/d (30kt/r). Do komerčního provozu se proces nedostal. [10] Nízkoteplotní katalytický rozklad vysušených čistírenských kalů při teplotách 350 až 400 C. V roce 1987 realizována demonstrační jednotka pyrolýzy vysušeného čistírenského kalu (90 % sušiny) v Burligtonu (Kanada) 30 t/d (odpovídá 10 kt/r). V roce 1998 instalována jednotka na zpracování 30 t/d (odpovídá 10 kt/r) v Perthu (Australie). Úprava kalu a peletizace zůstává v provozu, termická část neprovozuje. [10]. Literatura [2] neuvádí rok realizace. Jedná se demonstrační jednotku technologie vyvinutou na zplyňování drcených autočástí s výkonem 48 t/d (odpovídá 16 kt/r). Zplyňování probíhá při teplotě cca 850 C v rotační peci, do které je jako oxidační plyn přiváděn kyslík a přídavné palivo (zemní plyn). Produkovaný plyn má výhřevnost cca 10,35 MJ/Nm3. Zdroj [2] uvádí kalkulovanou investiční cenu provozní jednotky s výkonem 1247 t/d (odpovídá 400 kt/r) ve výši 153,7 mil. USD. Kanadská firma Enerkem realizovala v roce 2000 zplyňovací jednotky na zpracování plastů v Quebecu (Kanada) 16 kt/r a v Sherbrooke na komunální odpad. [38]. ] V letech 2001 až 2004 provozovala firma Brightstar Environmental, technologii SWERF (Solid waste and energy recycling facility) na zplyňování komunálního odpadu o kapacitě 30 kt/r. V roce 2004 bylo zařízení odstaveno a firma odstoupila od realizace obdobné jednotky plánované v Derby (Velká Britanie) [10] V období bylo realizováno firmou ENTECH 5 jednotek o zpracovatelském výkonu 15 až 72 t/d (5 24 kt/r) Firma New Energy Corporation, Ltd., Perth, Australie, deklaruje, že je schopna realizovat jednotky o kapacitě 110 až 200 kt/r. [17]. Jedná se o nízkoteplotní gasifikaci tuhých odpadů při teplotě C. Získává se energoplyn, který je následně spalován a uvolněné teplo je využito parním cyklem. Surovinou je tříděný komunální odpad (RDF), resp. nemocniční odpad o výhřevnosti 10 až 35 MJ/kg. 38

44 Komentář k realizovaným jednotkám pyrolýzy a zplyňování odpadů Na obrázku č. 10 je z pohledu zpracovatelského výkonu a doby realizace znázorněn přehled významnějších instalací jednotek pyrolýzy odpadů, ke kterým došlo od roku Obrázek č. 10: Přehled významnějších realizovaných a provozujících jednotek pyrolýzy odpadů 160 Realizované a provozující jednotky pyrolýzy odpadů ve světě (kromě Japonska) 140 Roční zpracovatelský výkon [kt/r] Pyrolýzní jednotky mimo provoz Pyrolýzní jednotky v provozu Zpracováním literárních dat bylo zjištěno, že od roku 1971 došlo k 20 významnějším realizacím pyrolýzních jednotek na zpracování odpadů v celkové zpracovatelské kapacitě 852 kt/r. Značné ambice byly kladeny zejména procesu firmy Siemens (Schwel-Brenn-Verfahren, SBV) ve Fürthu (100 kt/r), který byl realizován v roce 1997 na zpracování rafinerských zbytků a nízkohodnotných odpadů za účelem produkce elektrické energie a synplynu pro chemické syntézy. Zařízení bylo v roce 1998 odstaveno z provozu [18, 44] a firma Siemens odstoupila od dalšího vývoje v tomto směru. Nicméně technologii Siemens zdokonalila firma Mitsui a společnost Mitsui-Babcock uskutečnila několik realizací v Japonsku [21]. Ze zařízení, která mají být v současné době v Evropě ještě v provozu, se jedná o tři provozy. Je zmiňována jednotka BKMI o zpracovatelské kapacitě 100 kt/r v Günzburgu (Německo) realizovaná firmou Babcock v roce 1986 na zpracování zbytků z kožedělného průmyslu, jež má být stále v provozu [10]. Dále se jedná o pyrolýzu čistírenských kalů ve Füssenu (Německo) a pyrolýzu drcených pneumatik na Kypru, v obou případech se zpracovatelským výkonem cca 5 kt/r [10]. Celkový zpracovatelský výkon zjištěných provozujících pyrolýzních jednotek činí cca 111 kt/r. Na obrázku č. 11 je z pohledu zpracovatelského výkonu a doby realizace znázorněn přehled významnějších instalací jednotek zplyňování odpadů, eventuálně biomasy, ke kterým došlo od roku Do tohoto obrázku nejsou zahrnuty instalace uskutečněné v Japonsku a Korei. Důvodem je to, že přes nekompletnost dílčích informací by údaje z Japonska zcela překrývaly situaci v ostatních zemích a tudíž zjištěné údaje jsou uvedeny v samostatném přehledu. 39

45 Obrázek č. 11: Realizovaná a provozující zpracovatelská kapacita jednotek zplyňování odpadů v Evropě 450 Přehled provozujících a odstavených jednotek zplyňování odpadů (kromě Japonska) 400 Projektovaný roční zparcovatelský výkon [kt/r] Zplyňovací jednotky mimo provoz Zplyňovací jednotky v provozu Kromě dvou významnějších realizací technologie zplyňování v Německu, a to LURGI ve Schwarze Pumpe (250 kt/r) a TERMOSELECT v Karlsruhe (225 kt/r), nedošlo v Evropě k výrazným realizacím v tomto směru. Nicméně ani tyto zmiňované procesy již neprovozují a byly odstaveny jak z technických tak komerčních důvodů [18, 19]. Zplyňovací technologie realizované v Evropě po roce 2000 spadají do kategorie nízkotonážních a středotonážních jednotek se zpracovatelským výkonem do 100 kt/r. Jedná se o zařízení schopná zpracovávat biomasu (slámu, dřevní štěpku apod.) i tříděné komunální odpady (TAP). Z předních dodavatelů technologií zplyňování paliv, biomasy, resp. odpadů, vyjma plazmového zplyňování, lze uvést firmy Energos (UK, Norsko), Entech (Australie), Foster-Wheeler a Enerkem (Kanada). Firma Energos realizovala 5 jednotek v Norsku a 1 jednotku v Německu o zpracovatelském výkonu 10 až 70 kt/r (s úhrnným výkonem 220 kt/r) a následně firma Ener-G, pokračující ve vývoji technologie Energos, realizovala další jednotku instalovanou ve Velké Britanii. V období do roku 2012 bylo firmou Entech v součinnosti se společností New Energy Corporation realizováno 5 jednotek o ročním zpracovatelském výkonu 5 až 24 kt/r. Tato firma deklaruje, že je schopna realizovat jednotky o kapacitě 110 až 200 kt/r [17]. Rovněž jednotky realizované firmou Foster-Wheeler v severských evropských zemích spadají do kategorie středotonážních zařízení a jsou projektovány na přednostní zplyňování biomasy s možností zpracování tříděných komunálních odpadů [38]. Zdroj [10] z roku 2011 uvádí, že firma Bellweather gasification technologies, Ltd. inzerovala schopnost dodávky zplyňovacích jednotek na zpracování vysoce výhřevných odpadů nebo materiálů technologií IMG (Integrated multifuel gasification). Bez bližších podrobností jsou zmiňovány tři jednotky o celkové zpracovatelské kapacitě 250 kt/r (2x v Rumunsku 100 a 90 kt/r) a 1x v Italii (60 kt/r). Je potřebné upozornit na informaci z roku 2011 [10] o plánované výstavbě zplyňovacích zařízení se záměrem zplyňováním komunálního odpadu produkovat syntézní plyn pro následnou syntézu orienta uhlovodíkových paliv ve výši 90 kt/r. Jedná se o několik projektů, z nichž největší byl plánován v Merseysaide (Kent, Velká Británie), kde se má zpracovávat 400 kt/r komunálních odpadů. Zahájení výstavby mělo být v roce Nebyly zjištěny bližší informace k tomuto projektu. 40

46 Vezmeme-li v úvahu úhrnné zjištěné údaje o celkové realizované a v současné době provozované kapacitě procesů pyrolýzy a zplyňování, dospějeme k závěru, že z původně instalované zpracovatelské kapacity 2,9 mil. t/r zůstává v provozu asi jedna třetina, tj. 0,92 mil.t/r, z toho vyšší podíl představuje technologie zplyňování. Tabulka č. 14: Realizovaná a v současné době provozovaná zpracovatelská kapacita pyrolýzních a zplyňovacích jednotek v Evropě pro zpracování odpadů typ procesu realizovaná kapacita [mil. t/r] provozovaná kapacita [mil. t/r] pyrolýza 0,85 0,11 zplyňování 2,05 0,81 CELKEM 2,90 0,92 Srovnáme-li tyto údaje s informacemi získanými zpracováním statistických dat ISWA (International Solid Waste Association) ke spalovnám komunálních odpadů provozujícím v Evropě [49, 48], je evidentní, že využití zplyňovacích a pyrolyzních procesů ke zpracování komunálních a průmyslových odpadů je technologií doprovodnou, nikoli rozhodující. Lze uvést, že celkový instalovaný výkon 454 zařízení pro energetické využívání komunálních odpadů v Evropě představuje zpracovatelskou kapacitu 79 mil. t/r, která umožňuje dosáhnout asi 30 %-ní podíl energetického využití z celkové roční produkce komunálních odpadů v Evropě, která činí cca 257 mil. t/r). Aktuálně je ve spalovnách komunálních odpadů, jejichž provozovatelé jsou v rámci EU sdruženi v CEWEP (Confederation of European Waste-to-Energy Plants), ročně energeticky využíváno asi 60 mil. t komunálních odpadů [4, 49] Z obrázku č. 12 je patrné, že spalování komunálních odpadů, vedené převážně v režimu energetického využití odpadů, je jednoznačně převažující technologií použitou pro termické zpracování odpadů. Obrázek č. 12: Podíl procesů pyrolýzy a zplyňování na termickém zpracování odpadů v Evropě ve srovnání s přímým spalováním (zdroj. vlastní) Podíl procesů pyrolýzy a zplyňování na termickém zpracování odpadů v Evropě ve srovnání s přímým spalováním Uvedeno v [mil.t/r] 0,85 2,05 79 přímé spalování odpadů pyrolýza zplyňování 41

47 Realizované technologie zplyňování a pyrolýzy odpadů realizované mimo Evropu Na rozdíl od Evropy je v Japonsku situace v aplikaci technologie zplyňování komunálních i průmyslových odpadů poněkud odlišná. Uvádí se [10, 19], že do roku 2009 bylo v Japonsku v provozu 99 jednotek na zplyňování, event. pyrolýzu odpadů o celkovém zpracovatelském výkonu 3,35 mil. t/r a dalších 10 jednotek o celkové zpracovatelské kapacitě 0,75 mil. t/r bylo ve fázi projektu nebo výstavby. Počet provozujících a plánovaných jednotek na termické zpracování odpadů cestou pyrolýzy nebo zplyňování ilustruje Obrázek č. 13. Nejpočetnější fungující instalace v tomto směru má firma Nippon Steel. Zdroj [44] uvádí ještě vyšší počet referencí zplyňovacích jednotek firmy Nippon Steel, a to 42 zařízení se zpracovatelskou kapacitou 10 až 230 kt/r. Po realizaci plánovaných záměrů by měla dle [19] zpracovatelská kapacita těchto procesů v Japonsku dosáhnout 4,1 mil. t/r. Zdroj [44] z roku 2014 dokonce uvádí, že v Japonsku je v současné době instalovaná zpracovatelská kapacita jednotek pyrolýzy, resp. zplyňování odpadů 20,8 kt/d, resp. 5,5 mil t/r, přičemž celkové investice do realizace těchto procesů jsou uváděny ve výši 8 mld. USD. Vzhledem k tomu, že celková produkce komunálních odpadů v Japonsku v roce 2008 činila cca 45 mil. t/r, z čehož zhruba 38 mil. t/r bylo termicky zpracováno [50], představují zplyňovací procesy asi 10 %-ní podíl v technologiích energetického využití odpadů v této zemi Porovnání dat týkajících se Japonska s dříve uvedenými informacemi o celkové zpracovatelské kapacitě jednotek rozkladných procesů v Evropě (Tabulka č. 12), udává 0,95 mil. t/r)] ukazuje, že v Japonsku je technologie zplyňování, resp. pyrolýzy více preferována než v Evropě [10, 19]. V Japonsku jsou pro vysokoteplotní zplyňování odpadů využívány převážně technologie firem Nippon Steel, Ebara. JFE, Hitashi Zosen, Kawasaki Gilken, Kobelco a další. Obrázek č. 13: Počet realizovaných a plánovaných jednotek pyrolýzy, resp. zplyňování odpadů v Japonsku [19] Počet realizovaných a plánovaných jednotek pyrolýzy, resp. zplyňování odpadů v Japonsku (dle informací z roku 2009) Počet realizovaných jednotek: 99 Počet plánovaných jednotek: Realizované Plánované Technologie Termoselect, jejíž jediný provoz v Evropě v Karlsruhe byl v roce 2004 ukončen, je nadále provozována v Japonsku, kde firma JFE Engineering Corp., tuto technologii rozvinula a realizovala v šesti případech (viz tab. 4.3). Na stejném základě realizovala firma Hitaschi Materials jednu jednotku kombinované pyrolýzy a zplyňování odpadů v Chiba. Odlišný přístup Japonska k aplikacím technologií vysokoteplotního zplyňování je dán přísným postojem této země k omezení skládkování odpadů. V roce 2008 činil podíl skládkování odpadů pouze asi 2 % z celkové produkce odpadů [50], neboť s ohledem na japonské poměry je neúnosné, aby jinak využitelné místo zabíraly skládky odpadů a tudíž jsou preferovány technologie spojené s minimální produkcí konečných zbytků. Tomuto 42

48 požadavku vyhovují technologie vysokoteplotního zplyňování, které jsou spojené s produkci vitrifikovaných nespalitelných podílů. V Jižní Korei byla v letech 2008 až 2012 uskutečněna realizace 6 jednotek zplyňování odpadů japonskými firmami Ebara a Nippon Steel s celkovou zpracovatelskou kapacitou 325 kt/r [19, 44]. Na americkém kontinentě se uvažovalo o realizaci technologie vysokoteplotního zplyňování ve státech New York a Florida v USA a v Portoriku. Kanadská firma Enerkem realizovala v roce 2000 zplyňovací jednotky na zpracování plastů v Quebecu (Kanada) 16 kt/r a v Sherbrooke na komunální odpad (viz Tabulka č. 14) [38]. Ukazuje se, že na americkém kontinentě a částečně i ve Velké Británii se projevuje příklon k technologiím plazmového zplyňování. V Austrálii provozovala po určitou dobu zplyňování odpadů o kapacitě 50 kt/r firma Brightstar. Nepodařilo se úspěšně vyřešit všechny technické problémy a provoz byl ukončen. Na realizacích několika jednotek zplyňování odpadů firmou Entech o zpracovatelském výkonu 5 až 24 kt/r se podílela australská firma New Energy Corporation, Ltd., která deklaruje, že je schopna realizovat jednotky o kapacitě 110 až 200 kt/r. [17] Očekávané realizace nových zplyňovacích jednotek ve světě (bez plazmových technologií) V Tabulce č. 15 je dle [44] uveden přehled předpokládaných významnějších nových realizací zplyňovacích jednotek ve světě, z čehož je patrné, že se neočekává razantní průlom v aplikaci klasických technologií zplyňování pro zpracování odpadů. Poněkud odlišná situace se jeví v aplikaci technologie plazmového vysokoteplotního zplyňování, jak je uvedeno v kapitole 4.2. Tabulka č. 15: Přehled významnějších záměrů pro realizaci nových zplyňovacích jednotek ve světě (bez plazmových jednotek) poř. č. 1 Očekávané realizace v zemi Velká Britanie [44] Komentář Glasgow, technologie Energos, kapacita 140 kt/r, má být uvedeno do provozu v 2015 Milton Keyns, technologie Energos, kapacita 94 kt/r, má být uvedeno do provozu v Italie 3 Polsko Silný odpor veřejnosti vůči termickému zpracování odpadů Plánované projekty za účasti italských společností a japonských firem JFE Corp., a Nippon Steel nebyly schváleny [44]. Očekává se uzavření kontraktů na 2 jednotky pro alternativní termické zpracování odpadů [44] 4 Japonsko a Jižní Korea Očekává se realizace 1 až 3 nových jednotek zplyňování odpadů ročně [44]. 43

49 4.2 Realizace plazmových technologie zplyňování odpadů Technologie využívající plazmových hořáků nejsou ve světě nijak neobvyklé. Jejich aplikace v generátoru, který zplyňuje odpady, je však poměrně nová a ve světě funguje tato technologie zejména při odstraňování nebezpečných odpadů. V této oblasti se angažují zejména severoamerické firmy z USA a Kanady. Zjištěné firmy inzerující schopnost dodávek plazmové technologie ke zplyňování paliv i odpadů a obchodní názvy nabízených procesů jsou uvedeny v následujícím přehledu [2, 21, 22, 23]: nositel technologie název procesu Alter NRG Corp. Westinghouse Plasma Corporation (WPC) Geoplasma Green Power PLASCO Energy Group Alter NRG/Westinghouse Plasma Gasification (WPG) Plasma Arc Gasification Plasco Conversion Process (PCP) Plasmox, Enviroarc Plasma Resource Recovery Systém Integrated Converting and Refining System InEnTec (Integrated Environmetal Technologies) Plasma Enhanced Melter (PEM) Europlasma, (Divison of Waste Management, Inc.). CHO Power Solena Group, Inc. ECP GlidArc Technologies Syngas LLC Solena Plasma Gasification and Vitrification (SPVG) Integrated Plasma Gasification Combined Cycle (IPGCC) Advanced Plasma Power (APP) PyroGenesis Canada, Inc ScanArc Plasma Technologies GasPlasma Plasma Arc Waste Destruction System Plasma Resource Recovery System PyroArc ZeGen Tetronics Plasma Hazardous Waste Technology Startech Environmetal Corporation Plasma Converter Systém (PCS) Přehled významnějších realizovaných zařízení a dalších záměrů pro výstavbu jednotek plazmového zplyňování odpadů ve světě a uvádí, viz Tabulka č. 16 a Tabulka č. 17. Lze konstatovat, že vedoucí postavení ve vývoji i realizacích zařízení plazmového zplyňování zaujímají firmy Westinghouse Corp. (součást Alter NRG Corp.), Plasco Energy Group, Europlasma a Solena Group. Kanadská firma Westinghouse Corp., uvádí jako hlavní reference tři jednotky vysokoteplotního plazmového zplyňování drcených komunálních odpadů a autočástí v Japonsku, a to v Yoshii (40 kt/r), Utashinai (40 kt/r) a Mihana (8 kt/r) [19, 21, 23, 24], (viz Tabulka č. 16). Dále tato firma realizovala tři zařízení na zneškodňování nebezpečných odpadů v Indii, jednotku ve Wuhan (Čína) na zplyňování 44

50 bioodpadů s kapacitou 30 kt/r k výrobě komponent motorových paliv a je deklarována realizace demonstrační jednotky na výrobu etanolu [24]. Licenci na technologii Westinghouse zakoupila firma PGP Terminal, a.s., pro Českou republiku a Slovensko [24]. Další aktivní firmou v oblasti plazmového zplyňování je Plasco Energy Group. V Tail Road Landfill u Ottawy (Kanada) od roku 2007 provozuje demonstrační jednotka plazmové technologie firmy Plasco Energy Group s kapacitou 25 kt/r (PRRS - Plasma Resource Recovery Systém) [19] a v roce 2012 firma Plasco Energy Group uzavřela kontrakt na realizaci jednotky plazmové technologie pro City Ottawa o kapacitě 405 t/d (cca 130 kt/r). V USA na Floridě má od roku 2012 provozovat plazmová zplyňovací jednotka na výrobu synplynu pro následnou produkci etanolu v ročním objemu 1 milion galonů (3785 m 3 /r). Do Číny má firma Plasco Energy Group podle kontraktu z roku 2010 dodat společně se společností Beijing Environmental Sanitation Engineering Group Co. jednotku plazmového zplyňování komunálních odpadů s kapacitou 200 t/d (odpovídá cca 60 kt/r). V případě pozitivních výsledků má být následně uvažováno s výstavbou jednotky o kapacitě 1000 t/d (odpovídá cca 300 kt/r), což by byla realizace dosud největšího plazmového zplyňovacího zařízení [24]. Firma Solena Group realizovala v závodě Inertam v Morcenx ve Francii v roce 1993 zařízení na zneškodňování nebezpečných odpadů, což bylo první referencí plazmového zplyňování na evropském kontinentu. Plazmové hořáky dodala firma Europlasma. a následně v letech 1997 až 2003 byly v tomto závodě instalovány další dvě obdobné zplyňovací jednotky. [19, 21]. V České republice nabízela Solena Group technologii plazmového zplyňování IPGCC (Integrated Plasma Gasification Combined Cycle) [20, 21]. Společnost Millenium Technologies, a.s, (Praha) usilovala v roce 2014 v ČR o realizaci této technologie o kapacitě 1,5 t/h (cca 10 kt/r) v Dubé s celkovými předpokládanými náklady cca 180 mil. Kč, z toho vlastní technologie 110 mil. Kč. K realizaci prozatím nedošlo. K plánované výstavbě technologie IPGCC v ČR nedošlo. Zdroj [21] konstatuje, že firma Solena Group dosud na technologii IGPCC nemá referenci se zpracováním komunálního odpadu, nicméně pro plazmové zplyňování biomasy firma Solena Group referencemi disponuje [23]. Ve Velké Britanii ve Swindon byla vybudována jednotka plazmového zplyňování o kapacitě 91 kt/r používající technologii Advanced Plasma Power firmy GasPlasma [23]. Plazmová technologie PyroGenesis byla uplatněna na letadlové lodi USA pro zneškodňování vznikajících odpadů. Z významných projektů, které v současné době měly být již dokončeny (2014), lze poukázat na komplex Tees Valley Renevable Energy Centre v Teedside (Velká Britanie), kde plazmovým zplyňováním se mělo od konce roku 2013 zpracovávat cca 300 kt/r odpadů dříve ukládaných na skládku za současné produkce elektrické energie ve výši 50 MWh e /h [24] (viz Tabulka č. 16). Obrázek č. 14 ilustruje, že od 90. let minulého století, výrazněji však po roku 2000, nastal ve světě vzestup v realizacích jednotek vysokoteplotního plazmového zplyňování odpadů a vybudovaná provozní zařízení s celkovou zpracovatelskou kapacitou cca 870 kt/r až na některé výjimky stále provozují. Rovněž je patrné, že převážný počet dosud realizovaných a provozovaných jednotek má zpracovatelský výkon do cca 50 kt/r. 45

51 Obrázek č. 14: Realizované a provozující jednotky plazmového zplyňování ve světě 350 Realizované a provozující jednotky plazmového zplyňování odpadů ve světě 300 Roční zpracovatelský výkon [kt/r] Připravované nové realizace procesu plazmového zplyňování odpadů Existují další záměry, případně rozpracované projekty na použití technologie plazmového zplyňování pro komunální i nebezpečné odpady. Přehled některých připravovaných nových realizací procesu plazmového zplyňování odpadů uvádí tabulka č. 17. Je možné usuzovat, že novým rysem pro budoucí vývoj v oblasti termického zpracování odpadů může být výstavba komplexů určených ke zpracování mixu různých druhů odpadů. Takovým příkladem je Energy Park Peterborough (Velká Britanie), resp. Organic Park v Hirwaun (Wales, V. Britanie), které mají zahrnovat jak třídění a recyklaci odpadů, tak výrobu energie zplyňováním, včetně plazmového zplyňování (viz Tabulka č. 17). O záměru vybudování jednotky plazmového zplyňování komunálních odpadů podle technologie firmy Plasco Energy Group v Číně s kapacitou 60 kt/r, eventuálně později s kapacitou 300 kt/r, je uveden komentář výše. Zdroj [24] uvádí rovněž zmínky o nerealizovaných záměrech plazmového zplyňování, například: St. Lucie County (60 kt/r, Florida, USA). Tallahassee (300 kt/r, Florida, USA). Vancouver (Kanada). Port Hope (120 kt/r, Kanada). Red Deer (Kanada). Alcalá de Henares (220 kt/r v blízkosti Madridu, Španělsko). Pro Portoriko zpracovala firma Geoplasma ambiciózní nabídku na realizaci procesu plazmového zplyňování podle technologie Westinghouse na vysoký zpracovatelský výkon komunálních odpadů 1 mil. t/r. [24]. Celkově i s odvoláním na obr. lze pozorovat, že od 90. let minulého století, výrazněji však po roku 2000, nastal ve světě vzestup v realizacích zařízení vysokoteplotního zplyňování odpadů a vybudované jednotky s celkovou zpracovatelskou kapacitou 865 kt/r až na některé výjimky stále provozují. Údaje Tabulky č. 17 uvádějící čtyři významné záměry pro realizaci nových plazmových 46

52 zařízení s celkovou zpracovatelskou kapacitou 1850 kt/r, dokládají, že technologie vysokoteplotního plazmového zplyňování se postupně stává významnou alternativou pro termické zpracování odpadů. Nicméně detailnější technologické i ekonomické informace jsou prozatím chudé a bylo by potřebné praktické potvrzení poměrně optimistických informací o dosažitelné výtěžnosti produktů nebo zisku energie. 47

53 Tabulka č. 16: Přehled významnějších realizovaných jednotek plazmového zplyňování odpadů ve světě poř. č Proces dodavatel (lokalita) Europlasma Morcenx (Francie) InEnTec PEM Honolulu (Filipíny) Taipei (Taiwan) NCKU Tainan City, (Taiwan) Westing-house plasma gasification (Japonsko) Startech Environment. Corp. PGC Hiemji (Čína) PRRS, ICARS Plasco Ottawa (Kanada) Advanced Plasma Power GasPlasma Swindon (V. Britanie) Ineos, New Planet Energy, Ltd. Florida (USA) PAWDS PyroGenesis Canada, Inc. Westinghouse- Plasma SMSIL Pune, Nagpur (Indie) historie a komentář V letech1993, 1997, 2003 realizovány firmou Europlasma tři jednotky na plazmové zneškodňování odpadů obsahujících asbest v závodě Inertam v Morcenx (Francie) [20] s celkovou zpracovatelskou kapacitou 52 kt/r (37 kt/r nebezpečných odpadů + 15 kt/r dřevní štěpka Kolem roku 2000 realizovala firma Asia Pacific Environmental Technology (APET) proces G100 PEM (Plasma Enhanced Melter) firmy InEnTec v Honolulu (Filipíny) na zneškodňování nebezpečných a nemocničních odpadů s kapacitou 12 t/d (0,1 kt/r). V roce 2004 pro poruchu odstaveno. V roce 2005 byla technologie G100 PEM uvedena do provozu v Taipei (Taiwan) na zneškodňování nebezpečných odpadů s kapacitou 12 t/d [20]. Výzkumné zařízení National Cheng Kung University. Uvedeno do provozu v 2005, kapacita 3 až 5 t/d Technologie Westinghouse-Hitashi Metals byla realizována v Japonsku ve 3 případech: Yoshii (40 kt/r), od roku 2000), Utashinai (40 kt/r), od roku 2003, zpracovává drcené komunální odpady a autočásti Mihama-Mikata (8 kt/r), od 2002, zpracovává komun. odpad a cca 15 % čistírenských kalů [23, 24] V roce 2006 instalovala firma Startech Environmental Corp. plazmovou jednotku na zpracování tuhých zbytků ze spalován í nebezpečných odpadů v Hiemji (Čína) [22] o kapacitě 1,5 kt/r. V roce 2008 byl podepsán s polskou firmou Zaklady azotowe Kedzierzin kontrakt na dodávku technologie Plasma Converted Gas (PCG) na zpracování kalorických zbytků s kapacitou10 t/d (3,5 kt/r). Technologie PRRS (Plasma Resource Recovery Systém) firmy Plasco Energy Group byla uvedena do komerčního provozu v Trail Road Landfill v 2007 na zpracování komunálního odpadu o výkonu 25 kt/r. V 2012 firma Plasco Energy Group uzavřela kontrakt na realizaci jednotky plazmové technologie ICARS (Integrated Converting and Refining Systém) pro City Ottawa o kapacitě 405 t/d (cca 100 až 130 kt/r), jež od roku 2015 má produkovat elektrickou energii do veřejné sítě ve výši 0,9 MW e/t odpadu [23]. Zdroj [51] uvádí předpokládanou cenu na bráně ve výši 83,25 USD/t odpadu. Zdroj [23] uvádí záměr vybudovat jednotku plazmového zplyňování o kapacitě 91 kt/r ve Swindon (Velká Britanie) používající technologii Advanced Plasma Power firmy GasPlasma. Deklarovaný údaj o krytí roční spotřeby elektrické energie pro rodinných domků vede k odhadu měrné produkce elektřiny pro export ve výši cca 300 až 400 kwh/t odpadu. Není uveden termín zprovoznění. Na Floridě (USA) měl být v roce 2012 uveden do provozu závod na výrobu syntézní směsi pro následnou syntézu etanolu v ročním objemu 3785 m 3 /r (cca 3 kt/r) plazmovým zplyňováním bioodpadů a komunálních odpadů [23]. V letech realizovala Firma PyroGenesis Canada, Inc. na letadlové lodi systém Plasma Arc Waste Destruction System (PAWDS) pro zpracování zbytků.[23] V roce 2009 firma SMSIL Infrastructures, Ltd. realizovala v Pune (Indie) technologii plazmového zplyňování Westinghouse Plasma na zpracování 68 t/d nebezpečného odpadu (20 kt/r). Jedná se o dosud největší závod na plazmové zplyňování nebezpečných odpadů. Uváděný export elektrické energie 1,6 MWe odpovídá čisté měrné výrobě elektřiny 565 kwh/t odpadu. [23]. V roce 2010 byla realizována technologie na plazmové zplyňování nebezpečných 48

54 11 Westinghouse- Plasma AlterNRG odpadů v Nagpur (Indie), kapacita pravděpodobně rovněž 20 kt/r. Zdroj [24] uvádí, že v Indii jsou celkem instalovány tři plazmové jednotky Westinghouse na odstraňování nebezpečných odpadů. Firma AlterNRG dodala v roce 2013 technologii Westinghouse-Plasma Gasification do Wuhan/Kaidi (Čína) s kapacitou 100 t/d (cca 30 kt/r). Surovinou jsou bioodpady, je vyráběn synplyn pro následnou výrobu komponent motorových paliv v Kaidi [23,24] TPWES AFSOC Hulburt Feld Florida (USA) Westinghouse- Plasma Air products Teeside (V. Britanie) Firma PyroGenesis dodala v roce 2011 organizaci Air Force Special Operations Command (AFSOC) technologii TPWES (Transportable Plasma Waste to Energy System) s výkonem 10,5 t/d (odpovídá 3 až 4 kt/r) pro výrobu elektrické energie v motorech z energoplynu produkovaného plazmovým zplyňováním odpadů. Cena zařízení byla 7,4 mil. USD. Jednotka od roku 2013 neprovozuje [24]. Od roku 2014 je v provozu energetický komplex v Tees Valley Renevable Energy Centre (Velká Britanie) s celkovým elektrickým výkonem 50 MW e využívající plazmovou technologii Westinghouse na zplyňování odpadů dříve ukládaných na skládku s kapacitou 950 t/d (odpovídá cca 300 kt/r). [23, 24, 44]. Uváděná data vedou k odhadu měrného exportu elektrické energie ve výši cca 1250 kwh e/t. 49

55 Tabulka č. 17: Přehled významnějších záměrů pro realizaci jednotek plazmového zplyňování odpadů poř. č Proces dodavatel (lokalita) Energy Park Peterborough Tetronics (V. Britanie) Organic Park Hirwaum (Wales, V. Britanie) Plasco Energy Group Peking (Čína) historie a komentář Má se jednat o komplex zpracovávající mix odpadů zahrnující třídění, recyklaci i výrobu energie zplyňováním, vč. plazmového zplyňování firmy Tetronics (Plasma Hazardous Waste Technology). Uváděná data o produkci elektrické energie postačující pro krytí spotřeby domácností [24] indikuji roční zpracovatelskou kapacitu cca 200 kt/r. S výstavbou se mělo začít v roce 2012 [24]. Poslední veřejně dostupné informace jsou dostupné pouze do roku Novější informace o projeku nejsou k dispozici. V dané lokalitě navíc v roce 2013 získal stavební povolení jiný projekt s jiným investorem o kapacitě 85 kt/r. Tento projekt, jehož zákaldem klasická roštová technologie, je realizován: Firma EnviroParks, Ltd. S dalšími partnery vyprojektovala komplex na zpracování směsi odpadů tříděním, recyklací, anaerobní digescí i termickým zpracováním, vč. plazmové gasifikace (Europlasma). Celý komplex má mít zpracovatelskou kapacitu 250 kt/r a provozovat měl od konce roku 2014 [24]. Firma Plasco Energy Group měla podle kontraktu z roku 2010 dodat společně se společností Beijing Environmental Sanitation Engineering Group Co. do blízkosti Pekingu (Čína) jednotku plazmového zplyňování komunálních odpadů s kapacitou 200 t/d (odpovídá cca 60 kt/r). V případě pozitivních výsledků má být následně uvažováno s výstavbou jednotky o kapacitě 1000 t/d (odpovídá cca 300 kt/r). [24] 4 GeoPlasma Dle zdroje [24] podala firma Geoplasma pro Portoriko nabídku na realizaci procesu plazmového zplyňování na zpracovatelský výkon komunálních odpadů 1 mil. t/r. 50

56 5. Podklady pro ekonomickou analýzu 5.1 Simulační výpočty dosažitelného zisku energie při alternativních způsobech zpracování odpadů Ve stati byla diskutována měrná produkce elektrické a tepelné energie při alternativních procesech termického zpracování odpadů dle literárních dat uvedených v Tabulce č. 10. Je zřejmé, že přímé srovnání dat o dosažitelné výrobě energie je obtížné, neboť dílčí informace se vztahují sice ke konkrétním provozům, ovšem zpracovávajícím odlišné vstupní materiály za ne zcela shodných podmínek, které navíc nejsou specifikovány. Z toho důvodu byl v rámci této studie proveden výpočet dosažitelné výroby energie alternativními způsoby termického zpracování shodné výchozí suroviny Výchozí data pro simulační výpočty Byla uvažována dvě základní technologická řešení, jednak zplyňování a jednak přímé spalování (incinerace) shodného materiálu, jímž byl tříděný komunální odpad. Byly uvažovány tři skupiny výpočtů: I.Zplyňování a využití energoplynu k výrobě energie kombinací plynové turbíny a parního cyklu (technologické řešení odpovídá schématu na obrázku č. 8). II.Zplyňování a následné spalování energoplynu a jeho využití k výrobě energie aplikací parního cyklu (technologické řešení odpovídá schématu na obrázku č.7). III.Incinerace a využití vzniklých spalin k výrobě páry a následně výroba energie parním cyklem. Každá skupina výpočtů uvažovala dva způsoby využití vyrobené páry v parních turbínách, jednak kombinovanou výrobu elektřiny a tepla použitím dvoustupňové odběrové protitlaké turbíny (varianty a ), jednak dosažení maximální produkce elektrické energie použitím kondenzační turbíny ve druhém stupni (varianty b ). Bilanční výpočty byly provedeny pomocí simulačního programu W2E (Waste to energy) vyvinutého na pracovišti Ústavu procesního a ekologického inženýrství VUT v Brně pro účely bilancování linek termicky zpracovávajících odpad a biomasu [54]. Přehled hodnocených variant dosažitelného energetického zisku při alternativních způsobech zpracování odpadů a hlavních zadávacích parametrů dat je uveden v tabulce č

57 Tabulka č. 18: Přehled hodnocených variant dosažitelného energetického zisku při alternativních způsobech zpracování odpadů a hlavních zadávacích parametrů plynová + parní turbíny ZPLYŇOVÁNÍ parní turbíny INCINERACE, parní turbíny Technologické řešení a způsob energetickcého využití produktů ZPL, GT, POT, PT ZPL, PT, PKT ZPL, POT, PT ZPL, PT, PKT INC, POT, PT INC, PT, PKT poznámky Ia Ib IIa IIb IIIa IIIb Vstup do procesu Vstupní surovina t/h 1.0 Výhřevnost suroviny (LHV) MJ/kg viz tab. 6 Produkt zplyńová ní/ spalování Výstup z reaktoru (komory) Měrné množství plynu Výhřevnost plynu C Nm3/t MJ/N m ZPL viz tab. 7, pro incineraci vypočteno Parametr y páry Parametry vyráběné páry kpa/ C 4000 / 400 Tlak za 1. stupněm kpa Tlak za 2. stupněm kpa Pozn.:ZPL zplyňování, INC.. incinerace, GT.plynová turbina, POT. protitlaká odběrová turbina, PT parní turbína, PKT parní kondenzační turbína Složení odpadu bylo zvoleno na základě dat, k nimž se dospělo při hodnocení zplyňování Ateko, a.s., v zařízení BiofLuid popsaném ve stati Zvolené složení odpadu o výhřevnosti 18,454 MJ/kg je uvedeno v Tabulce č. 6. Pro alternativy (I a II) uvažující energetické využití plynného produktu (energoplynu) po primární konverzi zpracovávané suroviny zplyňováním se vzduchem bylo použito složení a měrné množství plynného produktu za provozních podmínek technologie BIOFLUID. (viz Tabulka č. 7) Skupina výpočtů I kombinace plynové turbíny a parních turbin pro využití energoplynu Řešení energetického využití energoplynu odpovídá schematickému znázornění na Obrázku č. 8. Po účinném čištění byl energoplyn zaveden do plynové turbíny, kde byl spalován s přebytkem spalovacího vzduchu přičemž byla generována elektrická energie. Vystupující spaliny byly následně zavedeny do kotle pro výrobu přehřáté páry (4 MPa, 400 C), jejíž expanzí je generována elektrická energie. Ve variantě Ia je pro následnou kogenerační výrobu elektrické a tepelné energie použita dvoustupňová odběrová turbína pracující s tlakem 2000 kpa za prvním stupněm a s tlakem 300 kpa za druhým stupněm. Volba pracovního tlaku je provedena s ohledem na dosažení teploty expandované páry (cca 145 C) vhodné pro výměníkovou stanici, kde je předáváno teplo cirkulujícímu mediu ve vnější tepelné zásobovací síti (CZT). Ve variantě Ib je v kondenzačním stupni turbíny pára expandována na tlak 10 kpa, tedy využití vyrobené páry je vedeno s cílem získat maximum elektrické energie. 52

58 Skupina výpočtů II spalování energoplynu a využití vyrobené páry v parních turbínách Způsob energetického využití plynu produkovaného ze zplyňování odpovídá schematickému znázornění na obrázku č. 7. Po vyčištění je energoplyn zaveden do spalovacího kotle, v němž je uvolněné teplo předáváno soustavě pro výrobu přehřáté páry, jejíž expanzí je generována elektrická energie. Způsob využití vyrobené páry ve variantách IIa a IIb je shodný, jako u variant Ia a Ib. Skupina výpočtů III - incinerace a využití vzniklých spalin k výrobě páry a následně energie parním cyklem Pro alternativy uvažující přímé spalování odpadu byla uvažována klasická koncepce technologické linky pro spalování komunálních odpadů. Výstupní teplota spalin ze spalovací komory byla uvažována 870 C (s rezervou 20 C vůči závazné minimální teplotě pro spalování komunálních odpadů). Spalovací komora je uvažována bez vestavěného vnitřního teplosměnného systému pro výrobu páry. Využití entalpického obsahu vzniklých spalin dochází v utilizačním kotli, kde se uskutečňuje výrobě přehřáté páry o parametrech shodných jako v předchozích variantách (400 C, 4 MPa). Průchodem spalin kotlem dochází k jejich ochlazení na teplotu 200 C a následuje kombinované mechanické a chemické čištění spalin k dosažení požadované kvality konečných exhalací odpovídající závazným předpisům pro emise ze spaloven odpadů [45, 52, 53]. Způsob využití vyrobené páry ve variantách IIIa a IIIb je shodný, jako u předchozích variant. Ve variantě IIIa je pro výrobu elektrické a tepelné energie použita dvoustupňová odběrová turbína pracující s tlakem 2000 kpa za prvním stupněm a s tlakem 300 kpa za druhým stupněm. Ve variantě IIIb je v kondenzačním stupni turbíny pára expandována na tlak 10 kpa Výsledky simulačních výpočtů a jejich diskuse Schematické uspořádání bilanční sítě pro simulační výpočty hodnocených variant energetického využití produktů zpracování odpadu je uvedeno v přílohách P1 až P6 a hlavní výsledky dosažitelné výroby elektrické a tepelné energie jsou uvedeny v Tabulce č

59 Tabulka č. 19: Hlavní výsledky výpočtů dosažitelné výroby energie při alternativním zpracování odpadu. Provedeno pro zpracování 1 t odpadu o výhřevnosti 18,5 MJ/kg ZPLYŇOVÁNÍ plynová + parní turbiny parní turbiny INCINERACE Charakteristika ZPL, GT, POT, PT ZPL, PT, PKT ZPL, POT, PT ZPL, PT, PKT INC, POT, PT INC, PT, PKT poznámky Ia Ib IIa IIb IIIa IIIb vstup Vstupní surovina t/h 1.0 Výhřevnost suroviny MJ/kg Kalorický tok v surovině MW t/t shodný vstup Hrubá výroba el. energie kwh e/t hrubá výroba energie Hrubá výroba tepla kwh t/t celková energetická účinnost z toho výroba el. energie % % výroba tepla % Teplárenský modul vztaženo na vstupní energ. tok v odpadu Spaliny do komína Nm3/t Efektivita výroby elektrické a tepelné energie V grafickém vyjádření je dosažitelná účinnost hrubé výroby elektrické energie a tepla pro hodnocené varianty znázorněna na Obrázku č

60 Obrázek č. 15: Dosažitelná účinnost hrubé výroby elektrické energie a tepla při hodnocených alternativách zpracování odpadu o výhřevnosti 18,5 MJ/kg Účinnost výroby energie [%] ,1 46 Protitlaká odběrová turbina Ia, Ib ZPL + plyn. turb. +parní turbíny 27,4 Protitlaká a kondenzační turbina 12,4 65,5 69,1 Protitlaká odběrová turbina IIa, IIb ZPL + parní turbíny 22 Protitlaká a kondenzační turbina 13,1 Protitlaká odběrová turbina IIIa, IIIb Incinerace +parní turbíny 23,2 Protitlaká a kondenzační turbina Výroba tepla [%] Výroba el. Energie [%] Z uvedených dat je patrné, že nejvyšší účinnost hrubé výroby elektrické energie dle očekávání vykazuje varianta Ib, uvažující zplyňování odpadu a následné zařazení plynové turbíny a využití parního cyklu s kondenzační turbínou. V tomto případě byla vypočtena hrubá měrná výroba elektrické energie 1405 kwh e /t, přičemž účinnost výroby elektrické energie vztažená na teplo vnesené zpracovávaným odpadem činila 27,4%. Pouze poněkud nižší výsledek vykazují varianty incinerace IIIb (1189 kwh e /t, účinnost 23,2%) a zplyňování IIb (1128 kwh e /t, účinnost 22,0%), v obou případech s výrobou páry a následným využitím parního cyklu s kondenzační turbínou. Nejvyšší účinnost hrubé výroby tepelné energie vykazuje varianta IIIa uvažující incineraci a následné kogenerační využití vyrobené páry. V tomto případě byla určena účinnost hrubé výroby tepelné energie ve výši 69,1 %. Alternativy se zplyňováním (Ia, resp. IIa) vedly k účinnosti hrubé výroby tepelné energie nižší, a to 46 %, resp. 65,5 %. Pokud je hodnocena energetická účinnost z hlediska celkové hrubé výroby tepelné a elektřiny, pak dle očekávání jsou výhodnější varianty s kogeneračním využitím vyrobené páry. Z posuzovaných technologických řešení se z tohoto pohledu jeví nejvýhodnější alternativa IIIa, tj. incinerace odpadu s kogeneračním využitím vyrobené páry, pro kterou byla vypočtena celková energetická účinnost 82,1 % vzhledem na vnesený kalorický tok odpadem. Jen nepatrně nižší výsledek celkové energetické účinnosti poskytuje varianta IIa se zplyňováním a kogeneračně využitou vyrobenou parou (77,9 %). Při hodnocení výsledků dosažitelného zisku výroby energie je rozhodující uvažovat čistou výrobu energie po zahrnutí spotřeby elektřiny a tepla pro vlastní provoz. K odhadu vlastní technologické spotřeby energií byly využity závěry, k nimž dospěl D. O. Reimann na základě hodnocení provozních výsledků z asi 350 spaloven komunálních odpadů v rámci CEWEP (Confederation of European Waste to Energy Plants) [58, 59, 60]. Uvedený autor konstatoval, že při incineraci komunálních odpadů v EU se vlastní měrná spotřeba elektrické energie pohybuje v rozmezí cca 113 až 121 kwh e /t a měrná technologická spotřeba tepla činí cca 70 až 131 kwh t /t. Zkušenosti z hodnocení provozu některých spaloven komunálních odpadů v ČR [60] potvrzují reálnost těchto dat. Pro odhad vlastní spotřeby energií pro posuzované alternativy zpracování odpadů bylo zohledněno odlišné strojně-technologické řešení procesů zplyňování a způsobu využití vzniklého energoplynu. Bylo uvažováno s tím, že vlastní zplyňování probíhá za zvýšeného tlaku (zvoleno 300 kpa), na který je nutné komprimovat technologický vzduch. V případě alternativ Ia a Ib zahrnujících plynovou turbínu bylo nutno zohlednit spotřebu elektrické energie pro kompresi vyčištěného energoplynu před vstupem do plynové turbíny. I když v daném případě byl volen poměrně nízký tlak plynu před plynovou turbínou 55

61 (500 kpa), ovlivňuje tato položka celkovou vlastní spotřebu elektrické energie asi z 50 %. Naopak varianty s plynovou turbínou nevyžadují zařazení spalinového ventilátoru pro odvod spalin do komína, což je naopak významnější položka ve spotřebě elektrické energie u variant IIIa a IIIb s přímým spalováním odpadu. Rekapitulace hlavních položek ovlivňujících technologickou spotřebu energií je provede na v tabulce č. 20. Tabulka č. 20: Odhad vlastní technologické spotřeby elektrické energie a tepla pro hodnocené alternativy Dílčí spotřeby elektrické energie pro dopravu plynů Položka Komprese vzduchu pro zplyňování Komprese energoplynu před plynovou turbínou Vzduch pro spalování energoplynu plynová + parní turbiny ZPL, GT, POT, PT ZPLYŇOVÁNÍ ZPL, PT, PKT parní turbiny ZPL, POT, PT ZPL, PT, PKT INCINERACE INC, POT, PT INC, PT, PKT Ia Ib IIa IIb IIIa IIIb kwh e/t kwh e/t kwh e/t Vzduch pro spalování odpadu kwh e/t Spalinový ventilátor kwh e/t Celková spotřeba el. energie na dopravu plynů kwh e/t Ostatní spotřeba elektrické energie kwh e/t Celková technologická spotřeba elektrické energie kwh e/t Odhad vlastní spotřeby tepla kwh t/t Bilance dosažitelného exportu elektrické energie a tepla při hodnocených variantách je provedena v tabulce č. 21, která využívá výše uvedené výsledky o hrubé výrobě energií a přijaté předpoklady k vlastní technologické spotřebě energií. Graficky jsou výsledky výpočtů hrubé výroby elektrické energie a její distribuce pro vlastní spotřebu a export znázorněny na obrázku č

62 Tabulka č. 21: Bilance dosažitelného exportu elektrické energie a tepla při hodnocených variantách. Zpracováno pro účinnost zplyňování 74,2 % Elektrick á energie Tepelná energie Položka plynová + parní turbiny ZPL, GT, POT, PT ZPLYŇOVÁNÍ ZPL, PT, PKT parní turbiny ZPL, POT, PT ZPL, PT, PKT INCINERACE INC, POT, PT INC, PT, PKT Ia Ib IIa IIb IIIa IIIb poznámky Hrubá výroba elektrické energie kwh e/t viz tab. 20 Odhad vlastní spotřeby el. energie kwh e/t viz tab. 21 Export el. energie kwh e/t Efektivita výroby el. energie na export % z Q vnes Hrubá výroba tepla kwh t/t viz tab. 20 Odhad vlastní spotřeby tepla kwh t/t [58, 60] Export tepla do CZT kwh t/t U variant Ib, IIb, IIIb Import tepla kwh t/t nutný import Efektivita výroby tepla na % z tepelné export Q vnes. energie Celkový export elekřiny a tepla kwh t/t Celková efektivita výroby energie pro export % z Q vnes Obrázek č. 16: Rozdělení měrné výroby elektrické energie pro vlastní spotřebu a export Měrná výroba a spotřeba elektrické energie [kwh/t] Protitlaká odběrová turbina ZPL + plyn. turb. +parní turbíny Protitlaká a Protitlaká odběrová kondenzační turbina turbina ZPL + parní turbíny + parní cyklus Protitlaká a Protitlaká odběrová kondenzační turbina turbina Incinerace +parní turbíny Protitlaká a kondenzační turbina Export Vlastní spotřeba Je zřejmé, že při zaměření na dosažení maximální výroby elektrické energie zavedením prakticky veškeré vyrobené páry do kondenzační turbíny není produkováno žádné využitelné teplo. Tudíž varianty Ib, IIa i IIIb musí vlastní technologickou potřebu tepla pokrýt importem tepelné energie. 57

63 Varianty s kogenerační výrobou elektrické energie a tepla, uvažující výše komentované pracovní podmínky v bloku parních turbín (viz stať 5.1.1), vykazují výrazně vyšší efektivitu celkové výroby elektrické a tepelné energie pro export. V grafické formě je dosažitelná efektivita výroby elektrické energie a tepla pro export při alternativním zpracování odpadu o výhřevnosti 18,5 MJ/kg znázorněna na obrázku č. 17. Nejvyšší efektivitu, vyjádřenou poměrem exportovaného tepla a elektřiny k energii vnesené zpracovávaným odpadem, vykazuje varianta incinerace, a to 77,4 %. Pro technologická řešení se zplyňováním odpadu byly vypočteny výsledky nižší, a to 72,5 % pro alternativu IIa se zplyňováním a následným využitím parního cyklu a 61,2 % pro alternativu zplyňování a aplikaci plynové turbíny. Důvod pro tento rozdíl je spatřován ve skutečnostech, že samotné zplyňování se uskutečňuje s určitou energetickou účinností a v případě aplikace plynové turbíny pro využití energoplynu snižuje velikost exportu elektrické energie vlastní technologická spotřeba elektřiny potřebná na kompresi plynu. 58

64 Obrázek č. 17: Dosažitelná efektivita výroby elektrické energie a tepla pro export při alternativním zpracování odpadu o výhřevnosti 18,5 MJ/kg. Zpracováno pro výchozí účinnost procesu zplyňování 74,2 % Ia, Ib ZPL + plyn. turb. +parní turbíny 9,5 IIa, IIb ZPL + parní turbíny 10,9 IIIa, IIIb Incinerace +parní turbíny Účinnost výroby energie [%] , , , ,2 19,2 21,1 0 Protitlaká odběrová turbina Protitlaká a kondenzační turbina Protitlaká odběrová turbina Protitlaká a kondenzační turbina Protitlaká odběrová turbina Protitlaká a kondenzační turbina Export tepla [%] Export el. Energie [%] Je potřebné podotknout, že bilanční výpočty pro využití energoplynu vznikajícího zplyňováním odpadu byly založeny na vstupních údajích, k nimž se dospělo při hodnocení zplyňování ATEKO popsaném ve stati V předchozím rozboru byl učiněn závěr, že při zplyňování suroviny o výhřevnosti 18,5 MJ/kg činila měrná produkce energoplynu 2115 Nm3/t, přičemž energetická účinnost procesu zplyňování činila 74,2 % vzhledem na vnesený kalorický obsah zpracovávanou surovinou. Vzhledem k tomu, že moderní řešení procesu zplyňování může dosáhnout energetickou účinnost na úrovni 80 % (vztaženo na vnesený kalorický obsah zpracovávanou surovinou [12]), je pro korektní rozvahy dosažitelného efektu procesů zplyňování potřebné tento trend zahrnout. Pro orientační odhad hrubé výroby energií při hodnocených variantách založených na zplynování pro zvýšenou energetickou účinnost zplyňování 80 % možné vstupní proud energoplynu v simulačních výpočtech upravit v poměru předpokládaných účinností, tedy v daném případě z původních 2115 Nm3/t na 2280 Nm3/t. V tomto poměru lze očekávat i změnu hlavních bilančních údajů. Výsledky dosažitelného exportu energií při hodnocených variantách uvažujících zvýšenou energetickou účinnost zplyňování na 80 % jsou představeny v tabulce č. 22 a na obrázku č

65 Tabulka č. 22: Bilance dosažitelného exportu elektrické energie a tepla při hodnocených variantách. Zpracováno pro účinnost zplyňování na 80 %, Elektrick á energie Tepelná energie Položka Hrubá výroba elektrické energie Odhad vlastní spotřeby el. energie plynová + parní turbiny ZPL, GT, POT, PT ZPLYŇOVÁNÍ ZPL, PT, PKT parní turbiny ZPL, POT, PT ZPL, PT, PKT INCINERACE INC, POT, PT INC, PT, PKT Ia Ib IIa IIb IIIa IIIb kwh e/t kwh e/t Export el. energie kwh e/t Efektivita výroby el. energie na export % z Q vnes Hrubá výroba tepla kwh t/t Odhad vlastní spotřeby tepla kwh t/t poznámky zvýšení o 14,6% beze změny zvýšení o 14,6% beze změny Export tepla do CZT kwh t/t U variant Ib, IIb, IIIb Import tepla kwh t/t nutný import Efektivita výroby tepla na % z tepelné export Q vnes. energie Celkový export elekřiny a tepla kwh t/t Celková efektivita výroby energie pro export % z Q vnes

66 Obrázek č. 18: Dosažitelná efektivita výroby elektrické energie a tepla pro export při alternativním zpracování odpadu o výhřevnosti 18,5 MJ/kg. Zpracováno pro zvýšenou účinnost procesu zplyňování na 80 % Ia, Ib ZPL + plyn. turb. +parní turbíny 10,5 IIa, IIb ZPL + parní turbíny 10,9 IIIa, IIIb Incinerace +parní turbíny 60 19,5 Název osy ,1 66, ,3 20,9 21,1 0 Protitlaká odběrová turbina Protitlaká a kondenzační turbina Protitlaká odběrová turbina Protitlaká a kondenzační turbina Protitlaká odběrová turbina Protitlaká a kondenzační turbina Export tepla [%] Export el. Energie [%] Přijetí předpokladu o vyšší dosažitelné účinnosti procesu zplyňování ze 74,2% na 80 % vedlo prakticky k vyrovnání vypočtené efektivity výroby elektřiny a tepla pro export pro varianty s kogenerační výrobou elektrické energie a tepla založené na zplyňování, resp. na incineraci. Alternativa IIa pro uvažovaný případ poskytla celkovou účinnost výroby elektrické energie a tepla pro export ve výši 78,6 %, což je o 1,2 % vyšší než výsledek pro incineraci. Alternativy zplyňování i incinerace vedené se záměrem vyrobit maximum elektrické energie jsou spojeny s nižší efektivitou výroby elektrické energie pro export, a to v rozmezí cca 20 až 25 % vzhledem k vnesenému kalorickému toku surovinou. Využití kogenerační jednotky s plynovým motorem k výrobě energie V řadě případů je k výrobě elektřiny z energoplynu použita kogenerační jednotka s plynovým motorem. Důvodem jsou podstatně nižší nároky na kvalitu vstupního plynu než v případě plynové turbíny (Tabulka č. 8). Efektivnost výroby elektrické energie v plynovém motoru je poměrně vysoká a pohybuje se v rozmezí cca 31 až 36 % vzhledem na vstupní kalorický tok v přivedeném v plynném palivu [36]. Pokud uvážíme, že vlastní proces zplyňování bude transformovat 74 až 80 % kalorického obsahu suroviny do energoplynu, pak s použitím plynového motoru je dosažitelná účinnost hrubé výroby elektřiny ve výši cca 24,6 až 26,5 % vzhledem vnesený kalorický tok zplyňovanou surovinou. Vytvořené teplo je kromě tepelných ztrát odváděno ve dvou proudech. Část tepla je odváděna chladící vodou na teplotní úrovni 90/70 C a druhou část představuje entalpický tok ve spalinách při teplotě cca 400 až 410 C. Formálně se celková účinnost výroby elektřiny a tepla v kogenerační jednotce s plynovým motorem pohybuje v mezích cca 82,2 až 85,6 %, avšak je nutno respektovat, že odvedené teplo v chladící vodě a ve spalinách nelze zcela využít pro dodávky do externí sítě. Dosažitelný efekt ve výrobě elektřiny a tepla z plynu vzniklého zplyňováním odpadu s účinností 61

67 transformace kalorického obsahu suroviny do energoplynu ve výši 74,2 až 80 % je orientačně vyhodnocen v tabulce č. 23. Tabulka č. 23: Dosažitelné efekty ve výrobě elektřiny a tepla energie z energoplynu využitím kogenerační jednotky s plynovým motorem charakteristika jednotka energetická účinnost zplyňování poznámky 74.2% 80% vstup energoplynu do plynového motoru výroba el.energie v motoru množství energoplynu ze zplyňování Nm3/h kalorický tok v energoplynu kwh e/t LHV=6,316 MJ/Nm3 Výroba elektrické energie účinnost výroby elektrické energie % 34.0 [36] výroba elektrické energie kwh e/t účinnost výroby elektrické energie vzhledem k vstupnímu kalorickému toku do zplyňování %Q in vlastní spotřeba el. energie kwh e/t odhad elektrická energie pro export kwh e/t Výroba tepla výroba tepla v motoru dílčí proudy vyrobeného tepla využitelné teplo účinnost výroby tepla v motoru % 49.8 dopočteno z dat [36] celková výroba tepla v motoru kwh e/t odvedené teplo chladicí vodou (90/70 C) odvedené teplo spalinami (400 C) %z Qin 23.0 dopočteno z dat [36] kwh t/t % Qin 26.8 dopočteno z dat [36] kwh t/t využitelné teplo ze spalin kwh/t využitelné teplo z chladící vody kwh t/t Celkem využitelné teplo kwh t/t vlastní technologická spotřeba tepla (odhad) kwh t/t odhad Celkem export tepla kwh t/t Celkem export elektřiny a tepla kwh t/t efektivita výroby energií pro export Kalkulace dosažitelného příjmu z exportu energií výroba el. energií pro export %Q in výroba tepla pro export %Q in celk. efektivita výroby energie pro export Kalkulace dosažitelného příjmu z exportu energií %Q in příjem z exportu tepla Kč/t Kč/GJ tj. 540 Kč/MWh t příjem z exportu elektrické energie Kč/t Kč/MWh e celkový příjem z exportu energií Kč/t

68 5.1.3 Dosažitelný příjem z exportu vyrobené energie V návaznosti na bilanční výpočty bylo provedeno posouzení dosažitelného příjmu z exportu elektrické a tepelné energie při uvažovaných alternativách zpracování odpadů a způsobech využití vzniklých produktů a tepla. Jelikož výsledky výroby energie pro alternativy se zplyňováním jsou úměrné množství vytvořeného energoplynu, byly uvažovány dva případy účinnosti transformace kalorického obsahu suroviny do energoplynu, a to 74,2 % (na základě vyhodnocení dat pro zplyňování ATEKO) a 80 %. Cena exportované, resp. importované energie byla odhadnuta následovně: druh energie jednotková cena poznámky. elektrická energie-export 1000 Kč/kWh e import elektřiny není uvažován tepelná energie export 150 Kč/GJ 540 Kč/MWh t tepelná energie import 165 Kč/GJ 594 Kč/MWh t, 110 % ceny exportu Kalkulace dosažitelného příjmu z exportu elektrické a tepelné energie při hodnocených variantách je provedena v tabulce č. 24 a tabulce č. 25, výsledky jsou graficky znázorněny na obrázku č. 19. Tabulka č. 24: Kalkulace dosažitelného příjmu za export elektrické a tepelné energie při hodnocených variantách. Zpracováno pro účinnost zplyňování 74,2 % Elektrická energie Položka plynová + parní turbiny ZPL, GT, POT, PT ZPLYŇOVÁNÍ ZPL, PT, PKT parní turbiny ZPL, POT, PT ZPL, PT, PKT INCINERACE INC, POT, PT INC, PT, PKT Ia Ib IIa IIb IIIa IIIb export elektrické energie kwh e/t jednotková cena el. energie pro export Kč/MWh e 1000 příjem z exportu el. energie Kč/t poznámky zvoleno Tepelná energie EXPORT TEPLA kwh t/t zvolená cena tepla [Kč/GJ] jednotková cena tepla pro export Kč/MWh t příjem z exportu tepla Kč/t IMPORT TEPLA kwh t/t jednotková cena importovaného tepla Kč/MWh t 594 zvoleno 110 % exportní ceny náklady na import tepla Kč/t příjem z výroby tepla Kč/t CELKEM PŘÍJEM Z VÝROBY ENERGIE Kč/kWh w

69 Tabulka č. 25: Kalkulace dosažitelného příjmu za export elektrické a tepelné energie při hodnocených variantách. Zpracováno pro účinnost zplyňování 80 %, Elektrická energie Tepelná energie Položka plynová + parní turbiny ZPL, GT, POT, PT ZPLYŇOVÁNÍ ZPL, PT, PKT parní turbiny ZPL, POT, PT ZPL, PT, PKT INCINERACE INC, POT, PT INC, PT, PKT Ia Ib IIa IIb IIIa IIIb export elektrické energie kwh e/t jednotková cena el. energie pro export příjem z exportu el. energie Kč/MWh e 1000 Kč/t EXPORT TEPLA kwh t/t jednotková cena tepla pro export Kč/MWh t 540 příjem z exportu tepla Kč/t IMPORT TEPLA kwh t/t jednotková cena importovaného tepla Kč/MWh t 594 náklady na import tepla Kč/t příjem z výroby tepla Kč/t CELKEM PŘÍJEM Z VÝROBY ENERGIE Kč/kWh w poznámky zvoleno zvolená cena tepla [Kč/GJ] 150 zvoleno 110 % exportní ceny 64

70 Obrázek č. 19: Srovnání celkového dosažitelného příjmu z exportu energie při zpracování 1 tuny odpadu alternativními způsoby. U variant se zplyňováním zpracováno pro účinnost procesu zplyňování 74,2 %, resp. 80 %. Dosažitelný příjem z exportu energie [Kč/t] ZPL + plyn. turb. +parní 2301 turbíny ZPL + parní turbíny Incinerace +parní 1038 ZPL + plynový Protitlaká odběrová turbina Protitlaká a kondenzační turbina Protitlaká odběrová turbina Protitlaká a kondenzační turbina Protitlaká odběrová turbina Protitlaká a kondenzační turbina plynový motor Účinnost zplyňování 74,2 % Účinnost zplyňování 80 % Do srovnání v obrázku č. 19 jsou zahrnuty i předpokládané dosažitelné příjmy i při alternativě zplyňování s následným využitím energoplynu k výrobě energie v kogenerační jednotce s plynovým motorem (viz Tabulka č. 23). Z provedeného posouzení vyplývá, že z hlediska dosažitelného příjmu za export energií vykazují varianty s kogenerační výrobou elektřiny a tepla finanční efekt na úrovni cca 2300 až 2420 Kč/t zpracované suroviny o výhřevnosti 18,5 MJ/kg. Nejvýhodněji se v tomto smyslu jeví varianta IIa založená na zplyňování s účinností 80 % a s využitím parního cyklu pro kombinovanou výrobu tepla a elektřiny. Na srovnatelné výši jsou i výsledky pro incineraci (varianta IIIa) a pouze o 5 % nižší efekt poskytuje varianta Ia uvažující zplyňování a následnou aplikaci plynové turbíny a parního cyklu pro využití energoplynu a následně vzniklých spalin. Samostatně posuzovaná aplikace kogenerační jednotky s plynovým motorem vykazuje dosažitelný efekt v rozmezí cca 1900 až 2050 Kč/t. Alternativy vedené se záměrem vyrobit maximum elektrické energie jsou za přijatých cenových relací spojeny s nižším finančním efektem, a to ve výši cca 950 až 1250 Kč/t odpadu. 5.2 Podklady k investiční a provozní náročnosti procesů termického zpracování odpadů Informace o investičních a provozních nákladech pro termické zpracování odpadů cestou pyrolýzy nebo zplyňování jsou uváděny poměrně zřídka nebo jsou zveřejňovány pouze v hrubých rysech. Většinou se jedná o obtížně srovnatelná a nekonzistentní data. Zajímavé srovnání investiční ceny a provozních nákladů pro jednotky o stejném zpracovatelském výkonu 500 t/d (zhruba 167 kt/r) pro různá technologická řešení podává G. C. Young v [7]. Na základě těchto informací je zpracována tabulka č

71 Tabulka č. 26: Deklarované investiční a provozní náklady provozního souboru termického zpracování odpadů o kapacitě 500 t/d alternativními způsoby. Zpracováno na základě zdroje [7] parametr jednotka Pyrolýza Pyrolýza+ gasifikace Konvenční gasifikace Plazmová gasifikace Incinerace Zpracovatelský výkon Cena na bráně Poplatek za skládkování zbytků Prodejní cena elektrické energie t/d 500 (kt/r) * 167 USD/t 35 Kč/t 858 USD/t 40 Kč/t 980 USD/kWh Kč/kWh ** 1.59 Měrná produkce el. energie kwh/t Investiční a provozní náklady mil. USD Investiční náklady mil. Kč mil. USD/(t/r) Provozní náklady tis.kč/(t/r) mil. USD/r Kč/t Pozn.: * pro roční fond pracovní doby 8000 h/r ** v kapitole použita prodejní cena 1000 Kč/MWhe Přepočty cenových relací provedeny pro kurz: USD/Kč = 24,50 ( ) Z uvedené tabulky se jeví jako nejvíce investičně i provozně náročná technologie přímého spalování (incinerace), pro kterou je uváděna investiční cena v přepočtu cca 2,85 mld. Kč. Lze konstatovat, že uváděná cena je v relaci s případy realizovaných zařízení pro termické využití odpadů v ČR. Rovněž měrné investiční náklady vztažené na jednotku zpracovatelské kapacity odpovídají orientačně uváděným hodnotám (např. pro spalovny odpadů cca 5 až 7 mil /(t/h). Zdroj [22] uvádí pro incineraci odpadů měrné investiční náklady v širokém rozmezí, a to 400 až 1000 USD/(t/r) pro Evropu, 300 až 900 USD/(t/r) pro USA, pro Čínu jsou uváděny výrazně nižší měrné náklady v rozmezí 80 až 200 /(t/r). Provozní náklady pro incineraci byly ve zmíněném zdroji [7] vyčísleny na 1208 Kč/t zpracovaného odpadu, přičemž prodejní cena elektrické energie byla pro případ provozu v USA uvažována 1590 Kč/MWh e. Podle očekávání uvádí zdroj [7] pro technologii pyrolýzy odpadů nejnižší investiční i provozní náročnost. Ve srovnání s incinerací by měla být investiční cena nižší asi o 25 % a provozní náklady by měly být nižší asi o 13 %. Do jisté míry lze polemizovat s údaji, které jsou v uvedeném zdroji uváděny pro proces kombinované pyrolýzy a zplyňování, neboť v případě vysokoteplotní technologie je ke spalování používán plyn obohaceným kyslíkem nebo téměř čistý kyslík. Výstavba i provoz kyslíkárny musí tudíž investiční i provozní náklady zvyšovat. Tabulka č. 27 uvádí deklarované investiční náklady pro některých pyrolýzních a zplyňovacích jednotek na zpracování odpadů. 66

72 Tabulka č. 27: Deklarované investiční náklady některých pyrolýzních a zplyňovacích jednotek pyrolyzně - zplyńovací proces pyrolyzně - spalovací proces fluidní zplyňování zplyňování, výroba synplynu Plazmové zplyńování Technologie zpracovatelský výkon [kt/r] Investiční náklady měrné investiční náklady * [tis.kč/(t/r)] Termoselect, Karlsruhe mld.kč 13.3 poznámky [18], SBV, Fürth mil [18], 1997 TPS, Greve, komun. odpad PROLER, drcené autočásti Westinghouse Plasma Gasif. Plasco Conversion System Plasma Converter System mil. USD 16.3 [38], ,6 mil. USD 9.4 [2] mil. USD mil. USD 10.7 [22], prrojekt mil. USD 13.0 [22] mil. USD 12.3 [22], projekt Solena Group, IPGCC mil. USD 14.1 [22] projekt mil. USD mil. USD 12.5 InEnTec, PEM mil. USD 32.7 [22], projekt Určitým parametrem pro srovnání uváděných dat je měrná investiční cena na jednotku zpracovatelského výkonu, zde uváděná po přepočtu na [Kč na tunu za rok]. Z tabulky č. 26 i Tabulky č. 27 je patrné, že převážná část takto vyjádřených měrných nákladů se pohybuje v rozmezí cca 10 až 18 tis.kč/(t/r), nicméně některé údaje tuto hodnotu převýšily asi 2x, až na cca 35 tis. Kč/(t/r). Rovněž K. C. Whiting na konferenci v Quebecu v roce 2008 [19] uváděl poměrně široká rozmezí měrných investičních cen zařízení pro pyrolýzní a zplyňovací technologie, a to 200 až 600 USD/Tpa (Tpa= tuna za rok) pro procesy zplyňování /odpovídá cca 4,9 až 14,7 tis.kč/(t/r)/ a 400 až 1600 USD/Tpa pro plazmové technologie /odpovídá cca 9,8 až 39,2 tis.kč/(t/r)/. Některá sdělení, např. [20, 23], uvádí, že pro srovnatelný zpracovatelský výkon mají být investiční náklady technologie plazmového zplyňování až o 50 % nižší než náklady pro srovnatelnou kapacitu spalovny odpadů. Toto konstatování údaje Tabulka č. 25 tak jednoznačně nepotvrzují, i když pro dva případy ze zdroje [22] vyšla měrná investiční cena projektovaných akcí na úrovni 10 až 12 tis. Kč/(t/r). Bez detailnějších údajů o investiční a provozní náročnosti technologií založených na pyrolýzním rozkladu nebo zplyňování odpadů je nutno považovat uváděné informace považovat pouze orientační. 67

73 6. Přednosti a negativa termických procesů pro zpracování odpadů Aplikační možností alternativních způsobů termického zpracování je možné posuzovat z řady hledisek. V úvodní kapitole bylo konstatováno, že ke zpracování odpadů, které již nejsou vhodné ke zpětnému materiálovému využití, jsou využitelné technologie částečného rozkladu (pyrolýzy, zplyňování), resp. technologie přímého spalování (incinerace). Základní účel procesů Bez ohledu na zavedenou terminologii (ve které se pojmem energetické využití odpadů rozumí takové zpracování, jež vede k zisku energie ve výši splňující zavedené smluvní parametry [60, 62, 63] a pojmem odstraňování se rozumí zpracování nesplňující zavedené smluvní parametry), je logické, že prvořadým účelem procesů termického zpracování odpadů je jejich ekologická likvidace. Jedná se tedy potřebu odstranit odpady, které by jinak způsobovaly ekologické a zdravotní škody a současně usilovat o energetické nebo jiné využití vzniklých produktů. Ovšem toto následné využití produktů termických procesů je cílem až sekundárním. Z tohoto pohledu se autorům předložené studie jeví efektivnější proces přímého spalování odpadů s cílem dosáhnout vytvoření finálních oxidačních produktů CO 2 a H 2 O ze spalitelného podílu v prostředí s dostatečným přebytkem kyslíku. Na tuto úroveň lze postavit procesy vysokoteplotní plazmové gasifikace, kdy sice za podstechiometrického množství kyslíku, avšak při vysoké teplotě (řádově nad 4000 C), dochází k rozkladu výchozího uhlíkatého materiálu na termodynamicky preferované složky, tj. CO a H 2, jež jsou využitelné pro následné petrochemické syntézy. Efekt dosažení vysoké pracovní teploty poskytují i technologie kombinovaného pyrolýzního rozkladu nebo zplyňování s bezprostředním zařazením spalovacího stupně pro spalování vzniklých produktů s kyslíkem. V tomto případě se však zvyšují investiční i provozní náklady nutností dodatkové instalace kyslíkárny. Využitelnost produktů termického zpracování odpadů a flexibilita procesu Procesy nedokonalého rozkladu (pyrolýzy nebo zplyňování) mohou být vedeny tak, aby hlavním produktem se stala směs kapalných uhlovodíků (v případě pyrolýzy) nebo plynná směs obsahující dále energeticky nebo chemicky využitelné plynné složky. Střední uhlovodíkové frakce (pyrolýzní oleje) produkované při pyrolýze jsou využitelné jako zdroj aromátů a po nezbytné rafinační úpravě jako komponenty motorových paliv. Při zaměření zplyňovacích procesů na získání plynných směsí obsahujících jako hlavní složky CO a H 2 lze tyto meziprodukty využít k petrochemickým syntézám. Finálním plynným produktem incinerace jsou spaliny odváděné do atmosféry, které musí být vyčištěné na kvalitu odpovídající příslušným předpisům o ochraně ovzduší. Určitou výhodou procesů nedokonalého rozkladu je větší flexibilita než v případě incinerace, neboť změnou pracovních podmínek lze do určité míry upravovat složení i vlastnosti konečných produktů rozkladu. Produkce a vlastnosti tuhých zbytků Odpady jako značně heterogenní materiály obsahující proměnné množství nerozložitelných podílů. Nezbytným produktem všech procesů termického zpracování jsou tuhé zbytky pocházející jak z vlastního termického procesu spalování nebo rozkladu, tak z operací pro čištění plynných a kapalných produktů. S těmito materiály je nutno nakládat podle předpisů pro příslušné kategorie odpadů nebo nebezpečných odpadů. 68

74 Z tohoto pohledu mají procesy vysokoteplotního zplyňování, zejména plazmového zplyňování, významnou přednost v tom, že produkují minimální množství tuhých zbytků s poměrně inertními vlastnostmi, což je dosaženo vitrifikací tuhých zbytků za vysokých teplot. Tyto okolnosti jsou zřejmě jedním z motivů, proč procesy kombinované pyrolýzy a vysokoteplotního zplyňování zaujímají v Japonsku význačnější pozici v termickém zpracování odpadů. Se snižující se ostrostí pracovních podmínek termického rozkladu se zvyšuje podíl nerozloženého organického podílu v tuhém zbytku a zvyšuje se jeho aromatický charakter. Kvalita koksu získaného pyrolýzou odpadů většinou neodpovídá požadavkům pro použití v elektrolytických výrobách. Provozní rizika a ověření v praxí Poměrně optimistická očekávání z konce 90. let minulého století o předpokládaném rozvoji pyrolýzních a zplyňovacích procesů se nesplnila [18, 19]. Postupně došlo k odstavení převážné většiny jednotek zpracovávajících odpady na principu pyrolýzy a zplyňování, což se týkalo zejména hlavních představitelů těchto technologií, a to Termoselect v Karlsruhe (225 kt/r) a pyrolýzně spalovacího procesu na zpracování odpadů (SBV) ve Fürthu (100 kt/r) [18]. Na základě dostupných dat je v stati 4.1 konstatováno, že v současné době zůstává v EU v provozu celková kapacita pyrolýzních jednotek asi 0,11 mil. t/r a cca 0,82 mil. t/r jednotek zplyňování. Ze srovnání sí s provozovanou kapacitou incinerace cca 60 mil. t/r v EU vyplývá, že technologie incinerace je převládajícím způsobem na termické zpracování odpadů. Uvedené skutečnosti mají zřejmě základ ve výrazně vyšším počtu ověření technologie přímého spalování odpadů v praxi. Naopak rizikovost provozu technologií nedokonalého rozkladu je zřejmě dalším faktorem pro utlumení rozvoje těchto technologií. Je nepochybné, že při procesech založených na nedokonalém rozkladu hořlavého podílu uhlíkaté suroviny vznikají meziprodukty kaloricky využitelné v následujících krocích, ale současně se tyto látky vyznačují hořlavostí a výbušností. K řadě odstavení pyrolýzních a zplyňovacích jednotek došlo v důsledku provozních havárií. Kontaminanty obsažené v produktech procesů termického zpracování odpadů Při procesech termického pracování odpadů se vytváří rovněž nežádoucí kontaminanty ovlivněné složením suroviny i pracovními podmínkami. Základní odlišnost procesů nedokonalého rozkladu (pyrolýzy a, resp. zplyňování) od incinerace spočívá v přítomnosti či nepřítomnosti kyslíku v reakčním prostředí. Vzhledem k tomu, že pyrolýzní rozklad probíhá prakticky bez přístupu vzduchu a reakce zplyňování se uskutečňují za podstechiometrického množství kyslíku, je omezena tvorba jak finálních oxidačních produktů, tak produktů částečné oxidace. Z tohoto hlediska produkují rozkladné procesy nižší množství oxidů dusíku a je omezena tvorba látek spadajících do skupiny polychlorovaných dibenzodioxinů a furanů (PCDD/F). V technologické lince přímého spalování odpadů je tudíž nutno uvažovat se zařazením stupně pro odstranění nebo záchyt látek skupiny PCDD/F a rovněž se stupněm redukce oxidů dusíku. Nežádoucími komponentami produkčního plynu ze zplyňování jsou uhlovodíky spadající do skupiny dehtů. Při dalším nakládáním s vyrobeným energoplynem způsobují dehtovité látky společně s jemným prachem zanášení potrubních tras, regulačních armatur a dalších zařízení a jsou častou příčinou provozních poruch. Pokud není stupeň gasifikace bezprostředně spojen se spalováním energoplynu, je nutné tyto látky odstraňovat kombinací mechanických a technologických opatření [64]. Uhlovodíkové podíly z pyrolýzy nebo zplyňování mohou obsahovat karcenogenní látky. Při zpracování surovin obsahujících síru a halogeny vzniká sulfán a halogenvodíky při pyrolýze a zplyňování, resp. oxidy síry a halogenvodíky při incineraci. Ve vzniklých zplodinách termického zpracování jsou přítomny i úlety jemného prachu. V každém případě je nutno tyto znečišťující látky před odvodem do atmosféry odstranit. Množství plynů, které prochází blokem čištění, je v případě incinerace výrazně vyšší a tomuto odpovídá i dimenzování jednotlivých aparátů. Z bilančních dat 69

75 ve stati 5.1 je patrné, že množství spalin vzniklých incinerací je asi 4x vyšší než množství plynu vzniklé zplyňováním stejného odpadu. Problematickou složkou plynných produktů vysokoteplotního zplyňování jsou emise těžkých kovů a jejich sloučenin. Na jedné straně vedení procesu rozkladu při vysokých teplotách vede k výraznému snížení nežádoucích emisí persistentních organických polutantů, na druhé straně se z roztavené strusky, odváděné v polotekutém až kapalném stavu, uvolňují páry těžkých kovů a jejich sloučenin a jejich odstraněni na povolenou koncentraci v konečných exhalacích je obtížné. Tento moment byl rovněž jedním z důvodů neúspěchu technologií typu Termoselect [18]. Náklady na dopravu plynů Náklady na dopravu plynů v technologiích termického zpracování odpadů zahrnují jak přívod vzduchu nebo kyslíku pro proces zplyňování nebo spalování a rovněž dopravu vzniklých produktů. Váha jednotlivých položek je v posuzovaných případech odlišná a byla diskutována v stati Bylo poukázáno na to, že při incineraci vzniká vyšší množství spalin než v případě zplyňování, tudíž spotřeba energie pro dopravu vzniklých spalin aparáty pro využití tepla a čištění spalin je významná. Spotřebu energie na dopravu plynů v procesech zplyňování závisí do značné míry na tlaku v gasifikačním reaktoru, který může být blízký atmosférickému, ale může činit až 30 bar. Pro provoz za zvýšeného tlaku představuje spotřeba energie pro kompresi oxidačního plynu významnou položku (viz Tabulka č. 20). Při uskutečnění procesu gasifikace za zvýšeného tlaku lze pro dopravu plynů technologickou linkou využít tlakový spád. V případech technologického řešení zplyňování s aplikací plynové turbíny je kromě nároků na velmi účinné čištění plynu nutno zohlednit spotřebu elektrické energie pro kompresi účinně vyčištěného energoplynu před vstupem do plynové turbíny, který může být na úrovni 5 až 25 bar. Spotřeba energie na kompresi plynu před plynovou turbínou snižuje celkovou efektivitu výroby elektrické energie, jak je ukázáno např. v tabulce 20. Úprava plynů před plynovou turbínou Požadavky na kvalitu plynu pro využití v plynových turbínách jsou velmi přísné, zejména pokud se týká zbytkového obsahu tuhých znečišťujících látek a obsahu dehtů (viz tabulka č. 8 a tabulka č. 9). Požadavky některých výrobců plynových turbín (např. Capstone Turbine Corp.) na kvalitu spalovaného plynu jsou natolik přísné [34], že tyto parametry by pro použití plynových turbín pro plyn ze zplyňování byly obtížně splnitelné. Z uvedeného je zřejmé, že technologické řešení s využitím plynové turbíny je poměrně náročné s ohledem na náročnost čištění plynu před vstupem do plynové turbíny i na vznik provozních rizik při nedodržení potřebné kvality paliva. Tyto okolnosti zvyšují investiční i provozní nároky. Zdroj [33] poukazuje na dva příklady instalací technologie s plynovou turbínou, a to ve Värnamo a ARBRE, pro které je uváděna celková doba provozu plynové turbíny 3600 hodin v prvním případě, resp hodin v druhém případě, přičemž obě technologie již neprovozují. Příprava surovin pro procesy termického zpracování odpadů Procesy zplyňování jsou často uskutečňovány v reaktorech s fluidním ložem. V těchto případech je vhodné, aby zpracovávaný materiál byl a upraven drcením a homogenizován. Technologie pyrolýzy, gasifikace v reaktorech s pevným nebo sesuvným ložem, plazmové zplyňování nebo incinerace zvláštní úpravy suroviny nevyžadují. S ohledem na stálost pracovních podmínek je vždy vhodné dávkovanou surovinu homogenizovat. Plazmové vysokoteplotní zplyňování U plazmové technologie je poukazováno na přednosti spočívající v minimalizaci emisí, výraznou redukci objemu zpracovaného materiálu a inertizaci tuhých zbytků a na vyšší účinnost výroby elektrické energie, která má dosahovat až 34 % vzhledem na kalorický obsah vnesený surovinou [20, 70

76 23]. Deklarované údaje o dosažitelné měrné produkci elektrické energie při aplikaci plazmových procesů jsou vyšší než u procesů konvenčního zplyňování a pohybují se v rozmezí cca 800 až 1000 kwh e /t pro čistý export elektrické energie. Je však nutné mít na zřeteli, že plazmové procesy jsou současně spojeny s vysokou spotřebou elektrické energie, a to na úrovni cca 700 až 900 kwh e /t. Některá sdělení, např. [20, 23], uvádí, že pro srovnatelný zpracovatelský výkon mají být investiční náklady technologie plazmového zplyňování až o 50 % nižší než náklady pro srovnatelnou kapacitu spalovny odpadů. Stručné srovnání měrných investičních nákladů provedené v stati 5.2 ( Tabulka č.27) toto konstatování tak jednoznačně nepotvrzuje. Postoj veřejnosti Postoj veřejnosti k procesům přímého spalování odpadů je tradičně negativní. V Evropě koncem 80. let a počátkem 90. let minulého stolení vznikl značný odpor ke spalovnám odpadů v souvislosti s trvalým a intenzivním poukazováním zejména na doprovodnou tvorbu dioxinů (polychlorovaných dibenzodioxinů a furanů). Obranou technologů k tomuto postoji společnosti se stal vývoj procesů, které dosahují teplot nad 1200 C až 2000 C, při kterých dochází téměř k totální destrukci všech nežádoucích látek, včetně persistentních polutantů. Takovými procesy se jevily právě kombinované pyrolýzně- zplyňovací postupy, ve kterých je jako oxidační plyn navíc použit kyslík. Výrazně ostřejší pracovní podmínky i nutnost rozšířit technologii o provozní soubor dělení vzduchu k výrobě kyslíku vedly ke zvýšení investičních i provozních nároků. Optimistická očekávání však nebyla úplně splněna a například provoz masivně propagované vlajkové lodi této technologie - Termoselect, která byla uvedena do provozu v Karlsruhe v roce 1997, byl v roce 2004 ukončen [18, 44]. Jak bylo uvedeno již výše, převládající technologií v termickém zpracování odpadů představuje i nadále přímé spalování odpadů důsledně spojené s energetickým využitím uvolněného tepla. Přetrvávající negativní postoj veřejnosti ke spalovnám odpadů je ovlivněn i tím, že tyto technologie jsou budovány často samostatně. Postoj veřejnosti ke zplyňování nebo pyrolýze lze hodnotit spíše jako neutrální, rovněž vzhledem k tomu, že charakter těchto procesů vyžaduje, aby byly součástí větších technologických komplexů. 71

77 7. Závěry Předložená práce se zabývá analýzou a hodnocením možnosti aplikace technologií založených na procesech pyrolýzy, resp. zplyňování k termickému zpracování odpadů. Je podána základní charakteristika procesů termického zpracování odpadů, které jsou založeny na nedokonalém rozkladu hořlavého podílu ve zpracovávaném materiálu a jsou komentovány základní pracovní podmínky a využitelnost produktů získaných pyrolýzou nebo zplyňováním odpadů k chemickým nebo energetickým účelům. Produkty nedokonalého rozkladu jsou schopny následných oxidačních reakcí, tudíž kalorický obsah těchto látek může být využit v následujících technologických krocích zaměřených na získání energie, alternativně mohou být vzniklé meziprodukty použity jako výchozí suroviny petrochemických syntéz nebo po rafinaci k získání uhlovodíkových frakcí a motorových paliv. Bylo provedeno hodnocení stavu ve výstavbě a realizaci provozních jednotek pyrolýzy a zplyňování odpadů a dospělo se k závěru, že v Evropě se tyto procesy na termickém zpracování odpadů podílí pouze malou měrou (s celkovou zpracovatelskou kapacitou méně než 1 mil. t/r), zatímco přímé spalování odpadů zůstává při energetickém využívání odpadů převažující technologií (v Evropě ročně takto zpracováno cca 60 mil. t/r). Dostupné informace o výhledu v realizaci nových zplyňovacích jednotek v Evropě ukazují na to, že v aplikaci konvenčních technologií zplyňování nebo pyrolýzy pro zpracování odpadů se neočekává razantní průlom. V nejbližší době lze očekávat zprovoznění několika jednotek firmy ENERGOS pro celkovou zpracovatelskou kapacitu cca 200 až 250 kt/r. Ve skupině pyrolýzních procesů lze zaznamenat rostoucí zájem o zpracování drcených pneumatik a gumárenských odpadů. V tomto směru je zajímavá instalace a provoz pyrolýzního zařízení pro zpracovatelský výkon 15 kt/r firmou DRON-Sklady, s.r.o. v Mliečanech u Dunajské Stredy na Slovensku, kde je použita technologie DSSC/SCA vyvinutá na pracovišti Chemicko-technologické a potravinářské fakulty Slovenské technické univerzity v Bratislavě. Na rozdíl od Evropy je v Japonsku situace v aplikaci technologie zplyňování komunálních i průmyslových odpadů poněkud odlišná. Uvádí se, že do roku 2009 bylo v Japonsku v provozu 99 jednotek na zplyňování, event. pyrolýzu odpadů o celkovém zpracovatelském výkonu 3,35 mil. t/r a dalších 10 jednotek o celkové zpracovatelské kapacitě 0,75 mil. t/r bylo ve fázi projektu nebo výstavby. Podíl zplyňovacích procesů na celkovém termickém zpracování odpadů v Japonsku činí asi 10 %. Vedoucí postavení v technologii zplyňování odpadů v Japonsku zaujímají firmy Nippon Steel Corp., Ebara Corp. a JFE Engineering Corp. Určitým faktorem pro utlumení rozvoje technologií pyrolýzy a zplyňování je zřejmě i to, že během nedokonalého rozkladu vznikají meziprodukty kaloricky využitelné, ale současně vyznačující se hořlavostí a výbušností. K řadě odstavení pyrolýzních a zplyňovacích jednotek došlo v důsledku provozních havárií. Zjištěná data o výstavbě zařízení vysokoteplotního plazmového zplyňování odpadů ukazují, že od 90. let minulého století, výrazněji však po roce 2000, nastal ve světě vzestup v realizacích jednotek plazmového zplyňování odpadů a vybudovaná provozní zařízení s celkovou zpracovatelskou kapacitou cca 0,9 mil. t/r až na některé výjimky stále provozují. Převážný počet dosud realizovaných a provozovaných jednotek plazmového zplyňování komunálních i průmyslových a nebezpečných odpadů má zpracovatelský výkon do cca 50 kt/r. Záměry pro realizaci nových plazmových zařízení s celkovou zpracovatelskou kapacitou 1,85 mil. t/r (Velká Britanie, Čína, Portoriko) dokládají, že technologie vysokoteplotního plazmového zplyňování se postupně stává využívanou alternativou pro termické zpracování odpadů. Ukazuje se, že na americkém kontinentě a částečně i ve Velké Británii se projevuje příklon k technologiím plazmového zplyňování. Z významných projektů, které v současné době měly být již dokončeny, lze poukázat na komplex Tees Valley Renevable Energy Centre v Teedside (Velká Britanie), kde se plazmovým zplyňováním mělo od konce roku 2013 zpracovávat cca 300 kt/r odpadů. Vedoucí postavení ve vývoji i realizacích zařízení plazmového zplyňování zaujímají firmy Westinghouse Corp. (součást Alter NRG Corp.), Plasco Energy Group, Europlasma a Solena Group. Je možné usuzovat, že novým rysem pro budoucí vývoj v oblasti termického zpracování odpadů může být výstavba komplexů určených ke zpracování mixu různých druhů odpadů. Takovým příkladem je Energy Park Peterborough (Velká Britanie), resp. Organic Park v Hirwaun (Wales, Velká Britanie), které mají zahrnovat jak třídění a recyklaci odpadů, tak výrobu energie zplyňováním, včetně plazmového zplyňování. 72

78 Jelikož přeměny při pyrolýzním rozkladu, resp. zplyňování probíhají v redukční atmosféře, je tvorba kyslíkatých látek omezená, což se týká i skupiny polychlorovaných dibenzodioxinů a furanů (PCDD/F). V závislosti na charakteru zpracovávané suroviny jsou v plynných produktech přítomny minoritní nežádoucí složky (H 2 S, COS, NH 3, HCl, tuhé znečišťující látky a další), jež je nutno před dalším použitím energoplynu odstranit. Deklarované koncentrace sledovaných znečišťujících látek v konečných exhalacích při zpracování odpadů pyrolýzními nebo zplyňovacími procesy ukazují, že tyto technologie jsou schopny dosahovat kvalitu finálních spalin splňující příslušné předpisy pro exhalace ze spalování odpadů. Zvláště v případě plazmových technologií se ostré pracovní podmínky promítají do konečných velmi nízkých hodnot koncentrací termicky rozložitelných znečišťujících látek, včetně sloučenin skupiny persistentních organických polutantů. Při analýze možnosti aplikace technologií pyrolýzy a zplyňování pro zpracování odpadů byla věnována pozornost dosažitelnému energetickému zisku. Na základě dostupných dat byla posuzována měrná produkce elektrické a tepelné energie při alternativních procesech termického zpracování odpadů. Pro procesy konvenčního zplyňování odpadů, zaměřené přednostně na výrobu elektrické energie, jsou v literatuře uváděny hodnoty hrubé (celkové) výroby elektrické energie rozmezí převážně 500 až 750 kwh e /t, přičemž pro technologii Termoselect byla deklarována hrubá výroba elektrické energie až 1050 kw e /t. Při vlastní technologické spotřebě elektřiny u těchto procesů v rozmezí zhruba 100 až 400 kwh e /t činí dosažitelný měrný export elektřiny cca 400 až 750 kwh e /t. Nicméně pro získání upřesněné představy o dosažitelném energetickém zisku při konvenčním procesu zplyňování odpadů byly provedeny vlastní propočty. Údaje o dosažitelné měrné produkci elektrické energie při aplikaci plazmových procesů jsou vyšší, ale rovněž vykazují větší rozptyl, a to v rozmezí cca 900 až 1500 kwh e /t (i více), resp. v rozmezí cca 700 až 1000 kwh e /t pro čistý export elektrické energie. V této souvislosti je nutné mít na zřeteli, že plazmová technologie není proces autotermní a část dodávky tepla potřebného pro průběh endotermických dějů se uskutečňuje prostřednictvím plazmových hořáků. Uvádí se, že plazmová technologie vysokoteplotního zplyňování dosahuje účinnost výroby elektrické energie pro export až 34 % vzhledem na kalorický obsah vnesený surovinou. Ačkoliv dostupná data k dosažitelnému energetickému zisku při aplikací plazmových technologií se ukazují povzbudivá, vzhledem k nedostatku kompletních a seriózních provozních dat a zkušeností se jeví jako ne zcela prověřená. Jelikož přímé srovnání literárně dostupných dat o výrobě energie procesy termického zpracování odpadů je obtížné, neboť dílčí informace se vztahují sice ke konkrétním provozům, ovšem zpracovávajícím odlišné vstupní materiály za ne zcela shodných podmínek, byl v rámci studie proveden orientační výpočet dosažitelné výroby energie alternativními způsoby termického zpracování odpadů. Byla uvažována tři základní technologická řešení: I - Zplyňování a využití energoplynu k výrobě energie kombinací plynové turbíny a parního cyklu II - Zplyňování a následné spalování energoplynu a jeho využití k výrobě energie aplikací parního cyklu III - Incinerace a využití vzniklých spalin k výrobě páry a následně výroba energie parním cyklem Každá skupina výpočtů uvažovala využití vyrobené páry dvěma způsoby, jednak kombinovanou výrobu elektřiny a tepla, jednak maximální produkci elektrické energie použitím kondenzační turbíny. Pokud je hodnocena energetická účinnost z hlediska celkové hrubé výroby tepla a elektřiny, pak dle očekávání jsou výhodnější varianty s kogeneračním využitím vyrobené páry. Z posuzovaných technologických řešení se z tohoto pohledu jeví nejvýhodnější alternativa incinerace odpadu s kogeneračním využitím vyrobené páry, pro kterou byla vypočtena celková energetická účinnost 82,1 % vzhledem na vnesený kalorický tok odpadem. Při hodnocení výsledků dosažitelného zisku výroby energie je rozhodující uvažovat čistou výrobu energie po zahrnutí spotřeby elektřiny a tepla pro vlastní provoz. Nejvyšší efektivitu výroby energií pro export, vyjádřenou poměrem exportovaného tepla a elektřiny k energii vnesené zpracovávaným odpadem, vykazuje varianta incinerace s kogeneračním využitím vyrobené páry (77,4 %). Pro technologická řešení se zplyňováním odpadu byly vypočteny výsledky nižší, a to 72,5 % pro alternativu se zplyňováním a následným využitím parního cyklu a 61,2 % pro alternativu zplyňování a aplikaci plynové turbíny. Přijetí předpokladu o vyšší dosažitelné účinnosti procesu zplyňování v transformaci kalorického obsahu suroviny do produkovaného plynu ze 74,2 % na 80 % vedlo prakticky k vyrovnání vypočtené efektivity výroby elektřiny a tepla pro export pro varianty s kogenerační výrobou 73

79 elektrické energie a tepla založené na zplyňování, resp. na incineraci. Alternativa zplyňování s využitím vzniklého energoplynu k výrobě páry s následným kogeneračním využitím pro uvažovaný případ poskytla celkovou účinnost výroby elektřiny a tepla pro export ve výši 78,6 %, což je o 1,2 % vyšší než výsledek pro incineraci. Pořadí hodnocených technologických variant z hlediska efektivity výroby elektrické a tepelné energie pro export bylo vyhodnoceno následovně: Technologické řešení Zplyňování spalování energoplynu - parní cyklus, kogenerační výroba el. energie a tepla Incinerace - parní cyklus, kogenerační výroba el. energie a tepla Zplyňování využití energoplynu v plynové turbíně výroba páry vzniklými spalinami - parní cyklus, kogenerační výroba el. energie a tepla Zplyňování využití energoplynu v kogenerační jednotce s plynovým motorem Zplyňování využití energoplynu v plynové turbíně výroba páry vzniklými spalinami - parní cyklus, s kondenzační turbínou k výrobě el. energie Incinerace - parní cyklus s kondenzační turbínou k výrobě elektrické energie Zplyňování spalování energoplynu - parní cyklus s kondenzační turbínou k výrobě elektrické energie Efektivita výroby tepelné a elektrické energie pro export [% ]* poznámky 72,5 78,6 varianta IIa 77,4 varianta IIIa 61,2 66,5 varianta Ia 49,2 53,3 23,2-25,3 varianta Ib 21,1 varianta IIIb 19,2-20,9 varianta IIb Pro hodnocené alternativy zpracování odpadu bylo provedeno posouzení dosažitelného příjmu za export energií při zvolených cenových relacích 150 Kč/GJ a 1000 Kč/MWh e. Z provedeného posouzení vyplývá, že z hlediska dosažitelného příjmu za export energií vykazují technologická řešení zplyňování i přímého spalování odpadu (o zvolené výhřevnosti 18,5 MJ/kg) výsledky v pásmu cca 2100 až 2400 Kč/t pro varianty s kogeneračním využitím vyrobené páry. Nejvýhodněji a prakticky shodně se v tomto smyslu jeví varianta založená na zplyňování s účinností 80 % i řešení s incinerací. Samostatně posuzovaná aplikace kogenerační jednotky s plynovým motorem vykazuje dosažitelný efekt v rozmezí cca 1900 až 2050 Kč/t. Alternativy zplyňování i incinerace vedené se záměrem vyrobit maximum elektrické energie jsou spojeny s nižší efektivitou výroby elektrické energie pro export, a to v rozmezí cca 20 až 25 % vzhledem k vnesenému kalorickému toku surovinou. Za přijatých cenových relací byl odhadnut dosažitelný finanční efekt za export energií ve výši 950 až 1250 Kč/t odpadu. 74

80 Přestože varianty s aplikací plynové turbíny pro využití energoplynu ze zplyňování poskytují příznivé výsledky efektivity výroby elektrické energie pro export (vyhodnoceno na 23,2 až 25,3 %) jeví se technologické řešení poměrně náročné s ohledem na požadavky na kvalitu plynu vstupujícího do plynové turbíny a tím na vznik provozních rizik při nedodržení potřebné kvality paliva. Informace o investičních a provozních nákladech pro termické zpracování odpadů cestou pyrolýzy nebo zplyňování jsou uváděny poměrně zřídka nebo jsou zveřejňovány pouze v hrubých rysech. Většinou se jedná o obtížně srovnatelná data, v nichž se mohou promítat i komerční zájmy. Určitým parametrem pro hodnocení investiční náročnosti těchto procesů měrné investiční náklady na jednotku zpracovatelského výkonu. Po přepočtu na vyjádření v [Kč na tunu za rok] se dospělo k závěru, že většinou se takto vyjádřené měrné náklady pohybují v rozmezí cca 10 až 18 tis. Kč/(t/r), nicméně některé údaje tuto hodnotu převýšily asi 2x, až na cca 35 tis. Kč/(t/r). 75

81 Seznam použitých zkratek Seznam zkratek MSW NDR PET PVC RDF SKO TAP TZL UK USA USD VUT H2S COS HCl NH3 POP PCDD PCDF SNG PE DSSC/SCA CH 4 PH3 P N 2 O 2 HCN H 2 NO CO Směsný komunální odpad Německá demokratická republika Polyethylentereftalát Polyvinylchlorid Tuhá alretnativní paliva Směsný komunální odpad Tuhá alternativní paliva Tuhé zněčišťující látky Pojené království Velké Británie a Severního Irska Spojená státy americké Americký dolar Vysoké učení technické Sirovovdík Oxid-sulfid uhličitý Chlorovodík Amoniak Persistentní organické látky Polychlorované dibenzo-p-dioxiny Polychlorované dibenzofurany Syntetický zemní plyn Polyethylen Proces hlubokého termického krakování s aktivací Methan Fosfan Fosfor Dusík Kyslík Kyanovodík Vodík Oxid dusnatý Oxid uhlenatý 76

82 CO 2 atm kwh PCS IPGCC PEM LHV Ni Fe Co MTBE F C 2H 4 C3H8 NOx HF SO 2 IMG CEWEP TPWES ZPL INC GT POT PT PKT CZT Tpa Oxid uličitý atmosféra Kilowatt hodina Plasma Converter System Integrated Plasma Gasification Combined Cycle Plasma Enhanced Melter Výhřevnost (lower heating value) Nikl Železo Kobalt metyl-terc.butyl-eter Fluor Ethan Propan Oxidy dusíku (NO a NO2) Flourovodík Oxid siřičitý Integrated multifuel gasification Confederation of European Waste-to-Energy Plants Transportable Plasma Waste to Energy System Zplyňování Inicerace Plynová turbína Protitlaká odběrová turbína Parní turbína Parní kondenzační turbína Centrální zásobování teplem Tuna za rok 77

83 Seznam zdrojů 1 Stehlik, P., Up-to-date waste-to-energy approach, In 5th International Conference on Engineering for Waste and Biomass Valorization, Proceedings on CD, edited by A. Nzihou, S. Guerreiro and E. Silva Lora, ISBN , August 25-28, 2014, Rio de Janeiro, Brasil 2 Klinghoffer N. B. and Castaldi M. J., Gasification and pyrolysis of municipal solid waste (MSW), In Waste to energy conversion technology, Edited by Naomi B. Klinghoffer and Marco J. Castaldi, p , Woodhead Publishing, ISBN , p. 234, Philadelphia, Pa, USA 3 Suzová J., Je spalovna strašák, nebo smysluplné zařízení, In 15. konference Odpady a obce - Hospodaření s komunálními odpady, 11. až , Kongresové centrum ALDIS, Hradec Králové 4 Stengler E., EnergetischeVerwertung von Abfällen, Situation in Europa 2011, In ODPADY 2011 a jak dál?, STEO - Sdružení provozovatelů technologií pro ekologické využívání odpadů v ČR, Kongresové centrum Výstaviště BVV Brno, 25. května 2011, Brno 5 ISWA Waste to energy, State of art report, August 2012, dostupné on line: www/onlinearticles/documents/2013/iswa_wte_state_of_the_art_report_2012_08_fv.p dflb13 6 Lamers F., Robert van Kessel, Advanced Thermal Treatment Technologies for Waste, Present state of art, In Energie aus Abfall, Vol 2, p , edit. Karl J. Thomé- Kozmiensky, Luciano Pelloni, S. 865, 2011, München, ISBN Young G. C., Municipal solid waste to energy conversion processes, John Wileys and Sons, Inc., p.12, 211, pp. 384, ISBN , 2010, Hoboken, New Jersey, USA 8 Pohořelý M., Jeremiáš M., Skoblia S., Vosecký M., Kameníková P., Šyc M., Tošnarová M., Punčochář M., Svoboda K.: Alotermní fluidní zplyňování biomasy, Paliva 1, (2010). 9 Chunguang Zhou, Gasification and Pyrolysis Characterization and Heat Transfer Phenomena During Thermal Conversion of Municipal Solid Waste, 2014, Doctoral Thesis, KTH-Royal Institute of Technology, ISBN , Stockholm 2014, Sweden 10 Gleis M., Pyrolyse und Vergasung, In Energie aus Abfall, Vol 8, edit. Karl J. Thomé- Kozmiensky, Michael Beckmann, S. 765, 2011, München, ISBN a Gleis M., Gasification and Pyrolysis - Reliable options for waste treatment, p , In Energie aus Abfall, Vol 3, edit. Karl J. Thomé-Kozmiensky, Stephanie Thiel, S. 743, 2012, München, ISBN Drga, M., Zplyňování biomasy, bakalářská práce, VUT v Brně, Fakulta strojního inženýrství, s. vedoucí Jan Škvařil, dostupné online: 12 Pohořelý Michal, Termické transformace pevných paliv ve vysokoteplotní fluidní vrstvě, habilitační práce, VŠCHT Praha, Fakulta techniky ochrany ovzduší, Ústav energetiky, , Praha 13 Hanika J., Lederer J., Nečesaný F., Tukač V., Veselý V., Produkce vodíku současnou parciální oxidací odpadní biomasy a ropných zbytků, In 56. konference chemického a procesního inženýrství, CHISA 2009, Česká společnost chemického inženýrství, Proceedings on CD, paper 207, října 2007, Srní-Šumava 14 Knoef H., Handbook biomass gasification, 2005, BTG biomass technology group BV, The Netherlands, ISBN Kadam Al-Dury, S., S., Purification of Produced Gas in Biomass Gasification Using Carbon Materiál, Doctoal thesis, Energy Institute, Faculty of Mecanical Engineering Brno 78

84 University of Technology, ISBN , ISSN , September Technologie zplyňování ENERGOS (pro energetické využití směsných komunálních odpadů), dostupné online: event.: červen Gasification technology the WA experience, dostupné online Hyžík J., Alternativní technologie odpadového hospodářství, dostupné online: nstvi aktualiz.pdf 19 Whiting K. J., Schwager J., Gasification of MSW and Industrial Wastes A Worldwide Status Update, In Proceedings of the Twenty-seventh Annual lnternational Conference on Thermal Treatment Technologies IT3, May 12-16, 2008, Paper #87, ISBN , Montreal, Quebec, Kanada 20 Energetické využití odpadu pomocí technologie plazmového zplyňování, dostupné online: 21 Studie proveditelnosti Chotíkov: porovnání variant závodů na využití SKO, Chemoprag, s.r.o., 2014, dostupné online: Studie%2060%20tis.%20tun/Studie%20proved_%20- %20text%2060%20kt%20za%20rok.pdf 22 White paper Alternative waste conversion technologies, ISWA- The International Solid Waste Association, January, Plasma gasification commercialization, dostupné online: 24 Westinghouse plasma gasification is the next generation of energy from waste technology, dostupné on line 25 Trávníček P., Vitázek I., Vítěz T., Kotek L, Junga P., Technologie zpracování biomasy za účelem energetického využití. Vyd. 1. Brno: Mendelova univerzita v Brně, 209 s. ISBN Burton H. D., Occelli M. L., Advances in Fischer-Tropsch synthesis, catalysts and catalysis, 2010, CRC Oress, ISBN , Boca Raton 27 Juchelková D., Raclavská H., Bartoš P., Harmečko A., Zplyňování paliv a odpadů stav a perspektivy, In konference Kotly a energetická zařízení 2008, hotel Voroněž, květen 2008, Brno 28 Dittrich M., Najser J., Dittrich V.: Zkušenosti ATEKO a.s. se zplyňováním tříděného komunálního odpadu (TTS), Sborník referátů mezinárodního semináře Efektivní energetika III., listopad 2002, Hradec Králové 29 Dittrich M., Energetické využití biomasy zplyňováním ve fluidním loži -Technologie Biofluid, In Energie z biomasy, Sborník příspěvků ze semináře Energie z biomasy, edit. M. Lisý, VUT v Brně, ), ISBN Parlament ČR. Vyhláška č. 415/2012 Sb. o přípustné úrovni znečišťování a jejich zjišťování a o provedení některých dalších ustanovení zákona o ochraně ovzduší. Sbírka zákonů ČR, 2012, částka 151, Strana , dostupné online: 31 Directive 2000/76/EC of the European Parliament and of the Council of 4 December 2000 on the incineration of waste, Official Journal of the European Communities, L332/91-L332/111, , Dostupné online: 79

85 lex.europa.eu/legal-content/ 32 European IPPC Bureau: Reference Document on the Best Available Techniques for Waste Incineration, Brussles, available on Sevilla, May, (2006) 33 Pohořelý M., Vosecký M., Kameníková P., Punčochář M., Plynový motor a plynová turbína pro výrobu elektrické energie spalováním plynu ze zplyňování biomasy, porovnání základních technologických parametrů, Ústav chemických procesů AV ČR, Laboratoř procesů ochrany prostředí, Capstone Turbine Corporation, Capstone MicroTurbine Fuel Requirements Technical Reference, June 2014, Rev H 35 Giampalolo T., Gas turbine handbook: Principles and practice, 2009, 4th edition, The Fairmont Press, Inc., Boca Raton, 447 p., ISBN Luťcha J., Jícha J., Plynová turbína Capstone a možnosti jejího využití, Ústav procesního a ekologického inženýrství, Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně, součást projektu CZ.1.07/2.4.00/ , Brno, Motorgas prospekt kogeneračního motoru MGW 700, dostupné online: Baláš M., Lisý M., Systémy pro zplyňování odpadů v zahraničí, in Technické systémy pro energetické využití odpadů, EKIS, , Jihlava, 39 Baggio P., Baratieri, M., Gasparella A., Longo G. A., Energy and environmental analysis of an innovative system based on municipal solid waste (MSW) pyrolysis and combined cycle, Applied thermal Engineering, 28, p , Sigg A., Lieball K., Waste combustion or gasification - comparing apples with apples?, In Energie aus Abfall, Vol 3, p , edit. Karl J. Thomé-Kozmiensky, Stephanie Thiel, S. 743, 2012, München, ISBN Hommes, F.,Klärschlammentsorgung Drehrohranlagen in der Trocknung und energetischen Nutzung von Klärschlamm, In Energie aus Abfall, Vol 10, s , edit. Karl J. Thomé-Kozmiensky, Michael Beckmann, S. 1095, 2013, München, ISBN Quicker P., Noël Y., Alternativen zur Verbrennung, In Energie aus Abfall, Vol 11, p , edit. Karl J. Thomé-Kozmiensky, Michael Beckmann, S. 977, 2014, München, ISBN Hommes F.,Klärschlammentsorgung Drehrohranlagen in der Trocknung und energetischen Nutzung von Klärschlamm, S , In Energie aus Abfall, Vol 10, edit Karl J. Thomé-Kozmiensky, Michael Beckmann, S. 1095, 2013, München, ISBN Vaccani A., Asato S., International Märkete für alternative Verfahren und Strategien der wichtigskten Marktteilnehmer, In Strategie Planung Umweltrecht, Vol 8, Karl J. Thomé- Kozmiensky, S. 269, 2014, München, ISBN , S Stumpft T., Verfürden M., Heinrich D. und Lung K., Abbagsreingung, Luftreihaltung mit Kalkprodukten, In Energie aus Abfall, Vol 10, p , edit. Karl J. Thomé-Kozmiensky, Michael Beckmann, S. 1095, 2013, München, ISBN Siemens Fuel Gasifiers, dostupné online: Pavlík P. Návrh spalovací komory pro nahřívání pyrolýzní pece: Diplomová práce. Ostrava: VŠB Technická univerzita Ostrava, Fakulta strojní, Katedra energetiky, 2012, 76 s. 48 ISWA WtE State of the Art Report 2012, In: Confederation of European Waste-to-Energy Plants. Dostupné online: 80

86 49 Stengler E., Stand und Entwicklungen im Europäischen Abfallrecht, Stand und Zukunft zeitgemäßer thermischer Abfallbehandlung, In No energy to waste, Proceedings on CD ROM, Hohenkammer, März 2009, Deutschland 50 Masanori Tsukahara, Japanese technology of waste to energy, , dostupné online: 51 Plasco to build waste conversion facility in Otawa, dostupné online: Krejčí T., Středotonážní spalovna odpadů systém čištění spalin, Diplomová práce, VUT Brno, Fakulta strojního inženýrství, Ústav procesního a ekologického inženýrství, 74 s., Brno, Bébar L., Oral J., Puchýř R., Stehlík P., Effective Cleaning Methods of the Flue Gas Generated by the Thermal Treatment of Biomass and Wastes, In Proceedings of International Conference Air Protection, November 2007, High Tatras Štrbské pleso, Slovak Republic, ISBN Kropáč J., Pokročilý výpočtový nástroj pro návrh sestému čištění spalin z procesu termického zpracování odpadů. Brno, Bébar L., Touš M., Kropáč J., Stehlík P., Současný stav a očekávané vývojové trendy termického zpracování odpadů, In 56. konference chemického a procesního inženýrství, CHISA 2009, Česká společnost chemického inženýrství, Proceedings on CD, paper 083, Srní-Šumava, října 2009, Srní Šumava 56 Basu, P., Combustion and gasification in fluidized beds, 2006, CRC Press, Boca Raton, 2006, 473 p., ISBN Van Berlo, Value fromwaste - Amsterdam svision on the 4th-generation Waste-to-Energy, In IEA Bioenergy, 40 EUBIONET 2, Rotterdam, The Netherlands, 19 February Dieter O. Reimann, Results of Specific Data for Energy, Efficiency Rates and Coefficients, Plant Efficiency factors and NCVof 97 European W-t-E Plants and Determination of the Main Energy Results, CEWEP Energy Report, Bamberg, Germany, October 2005 (Updated July 2006), 59 Dieter O. Reimann: Steigerung des nutzbaren Energiepotentials bei Einsatz von Natriumbicarbonat in der Rauchgasreinigung, In Fachtagung Energieeffizienz und Kostenminimierung mit BAT-konformer Rauchgasreinigung bei der thermischen Behandlung von Ersatzbrennstoffen, Biomasse und Abfall, Fürstenfeld, Deutschland, Januar Pavlas M., Touš M., Bébar L., Energeticky efektivní zpracování komunálních odpadů, In 56. konference chemického a procesního inženýrství, CHISA 2009, Česká společnost chemického inženýrství, Proceedings on CD, paper 105, Srní-Šumava, října 2009, Srní Šumava 61 Baraňák Libor, Výsledky z testovacích měření na technologiích Ostravské LTS, In Týden výzkumu a inovací v praxi TVIP, , Hotel Centro, Hustopeče 62 Bébar L., Pavlas M., Pařízek T., Urban L., Stehlík P., Podmínky efektivního energetického využívání odpadů, In Sborník 54. konference chemického a procesního inženýrství CHISA 2007, Proceedings on CD, 0006, října 2007, Srní, Šumava, ISBN: Bébar L., Toš M., Kropáč J., Stehlík P., Současný stav a očekávané vývojové trendy termického zpracování odpadů, In 56. konference chemického a procesního inženýrství, CHISA 2009, Česká společnost chemického inženýrství, Proceedings on CD, paper 083, Srní-Šumava, října 2009, Srní Šumava 64 Lisý M., Čištění energoplynu z biomasy v katalytickém vysokoteplotním filtru. Disertační práce, Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně, 135 s., Brno, Tire first pyrolysis plant from China, dostupné on line 81

87 Tire & plastic to fuel oil machine, 6th Generation waste tyre pyrolysis oil plant dostupné on line: Bajus Martin, Prof., Ing., Dr.Sc. osobní sdělení, Chemicko-technologická a potravinářská fakulta, Slovenská technická univerzita, , Bratislava 68 Martin Bajus; Termický rozklad biomasy a polymérnych odpadov na chemikálie a palivá, In Aprochem 2010, s , , Kouty nad Desnou, dostupné on line: 69 DRON - Sklady pripravuje projekt výskumu spracovania starých pneumatík, dostupné on line: Pyrolýza odpadov DSSC/SCA, dostupné on line:

88 Příloha 1: Výpočtové schéma varianty Ia. Využití energoplynu ke kombinované výrobě elektrické energie a tepla aplikací plynové turbíny a protitlaké odběrové parní turbíny 83

89 Příloha 2: Výpočtové schéma varianty Ib. Využití energoplynu k výrobě elektrické energie aplikací plynové turbíny a kondenzační parní turbíny 84

90 Příloha 3 Výpočtové schéma varianty IIa. Využití energoplynu k výrobě páry a následně ke kombinované výrobě elektrické energie a tepla aplikací protitlaké odběrové parní turbíny 85

91 Příloha 4: Výpočtové schéma varianty IIb. Využití energoplynu k výrobě páry a následně k výrobě elektrické energie aplikací kondenzační parní turbíny 86

92 Příloha 5 Výpočtové schéma varianty IIIa. Využití spalin z incinerace odpadu k výrobě páry a následně ke kombinované výrobě elektrické energie a tepla aplikací protitlaké odběrové parní turbíny. 87

93 Příloha 6 Výpočtové schéma varianty IIIb. Využití spalin z incinerace odpadu k výrobě páry a následně k výrobě elektrické energie aplikací kondenzační parní turbíny. 88

94 EY Assurance Tax Transactions Advisory About EY EY is a global leader in assurance, tax, transaction and advisory services. The insights and quality services we deliver help build trust and confidence in the capital markets and in economies the world over. We develop outstanding leaders who team to deliver on our promises to all of our stakeholders. In so doing, we play a critical role in building a better working world for our people, for our clients and for our communities. EY refers to the global organization, and may refer to one or more, of the member firms of Ernst & Young Global Limited, each of which is a separate legal entity. Ernst & Young Global Limited, a UK company limited by guarantee, does not provide services to clients. For more information about our organization, please visit ey.com Ernst & Young, s.r.o. Ernst & Young Audit, s.r.o. E & Y Valuations s.r.o. All Rights Reserved. ey.com

95 EY Assurance Tax Transactions Advisory Informace o EY EY je předním celosvětovým poskytovatelem odborných poradenských služeb v oblasti auditu, daní, transakčního a podnikového poradenství. Znalost problematiky a kvalita služeb, které poskytujeme, přispívají k posilování důvěry v kapitálové trhy i v ekonomiky celého světa. Výjimečný lidský a odborný potenciál nám umožňuje hrát významnou roli při vytváření lepšího prostředí pro naše zaměstnance, klienty i pro širší společnost. Název EY zahrnuje celosvětovou organizaci a může zahrnovat jednu či více členských firem Ernst & Young Global Limited, z nichž každá je samostatnou právnickou osobou. Ernst & Young Global Limited, britská společnost s ručením omezeným garancí, služby klientům neposkytuje. Pro podrobnější informace o naší organizaci navštivte prosím naše webové stránky ey.com Ernst & Young, s.r.o. Ernst & Young Audit, s.r.o. E & Y Valuations s.r.o. Všechna práva vyhrazena. ey.com

96 Evropská unie Spolufinancováno z Prioritní osy 8 - Technická pomoc financovaná z Fondu soudržnosti. Ministerstvo životního prostředí Státní fond životního prostředí České republiky zelená linka dotazy@sfzp.