PROJEKTY V OBLASTI ENERGETIKY A STROJÍRENSTVÍ

Transkript

1 PROJEKTY V OBLASTI ENERGETIKY A STROJÍRENSTVÍ Ing. Jiří Kropáč, Ph.D. I Ing. Lukáš Frýba prof. Ing. Stanislav Vejvoda, CSc.

2 PODĚKOVÁNÍ Realizační tým Moravskoslezského energetického klastru věnuje poděkování autorům informačního manuálu Projekty v oblasti energetiky a strojírenství. Odborná práce byla realizována za finančního přispění Evropské unie v rámci projektu CZ.1.07/2.4.00/ Partnerství v oblasti energetiky. 1

3 2

4 OBSAH SOUČASNÁ SITUACE A VÝZVY TERMICKÉHO ZPRACOVÁNÍ ODPADŮ 1. ÚVOD SPALOVÁNÍ ODPADU V PODMÍNKÁCH ČR Spalování komunálního odpadu Popis technologie Spalování průmyslových a nebezpečných odpadů KRITÉRIA VYHODNOCOVÁNÍ ENERGETICKÉHO VYUŽITÍ ZÁVĚR VYUŽITÍ MODERNÍCH SYSTÉMŮ ČIŠTĚNÍ SPALIN 1. ÚVOD Škodliviny ze spalování Legislativa a emisní limity TECHNOLOGIE PRO SNIŽOVÁNÍ EMISÍ VE SPALINÁCH SOUČASNÉ SYSTÉMY ČIŠTĚNÍ SPALIN Čištění spalin z termického zpracování biomasy Čištění spalin z termického zpracování odpadu ZÁVĚR FAKTORY OVLIVŇUJÍCÍ PŘESNOST MONITOROVACÍHO A DIAGNOSTICKÉHO SYSTÉMU 1. ÚVOD VLIV VÍCEOSÉ NAPJATOSTI NA ÚNAVU MATERIÁLU Zkušební tyče s vrubem Porovnání počtu cyklů N f a N f,ex SNÍŽENÍ ÚNAVOVÉ PEVNOSTI MATERIÁLU VLIVEM PRACOVNÍHO PROSTŘEDÍ Japonský model TENPES (Higuchi) Model US ANL (Chopra)[3] SNÍŽENÍ ÚNAVOVÉ PEVNOSTI MATERIÁLU SVAROVÝM SPOJEM ZMENŠOVÁNÍ TLOUŠŤKY STĚNY TVORBOU OXIDICKÉ VRSTVY DATABANKA MATERIÁLOVÝCH VLASTNOSTÍ ZÁVĚR

5 4

6 SOUČASNÁ SITUACE A VÝZVY TERMICKÉHO ZPRACOVÁNÍ ODPADŮ Ing. Lukáš Frýba, Ing. Jiří Kropáč, Ph.D. 1. ÚVOD Odpadové hospodářství je rychle rozvíjející se oblast, která je významně podporována legislativou. Směrnice 2008/98/EC stanovila základní principy v oblasti nakládání s odpady - nakládání s odpady bez ohrožení lidského zdraví a životního prostředí z kterých vyplynula hierarchie pro nakládání s odpady (viz obr. 1). Důraz je kladen především na úsporu primárních zdrojů a potlačení skládkování. Odpadové hospodářství je rychle rozvíjející se oblast, která je významně podporována legislativou. Směrnice evropské komise 2008/98/EC [1] stanovila základní principy v oblasti nakládání s odpady nakládání s odpady bez ohrožení lidského zdraví a životního prostředí z kterých vyplynula hierarchie pro nakládání s odpady (viz obr.1). Na prvním místě hierarchie je prevence vzniku odpadů, poté jeho opětovné používání a recyklace následovaná energetickým využitím. Teprve odpady, které není možné již nijak využít, by měly být odstraňovány například jejich bezpečným skládkováním. Důraz je kladen především na úsporu primárních zdrojů a potlačení skládkování. Tato pravidla jsou promítnuta do legislativy členských států Evropské Unie, tedy i ČR. Obr.1: Hierarchie nakládání s odpady odpovídající směrnici 2008/98/EC [1] Energetické využití odpadů v podmínkách České republiky je v současnosti představováno především přímým spalováním komunálního odpadu s využitím uvolněné energie a s kontrolou plynných i tuhých produktů spalování. Hlavním účelem spaloven je hygienická likvidace nevyužitelných materiálů. Současně se uvolní množství energie odpovídající kalorickému obsahu odpadu, jejíž využití pak představuje určitý způsob recyklace energie chemicky vázané v materiálu. Zmíněná směrnice 2008/98/EC umožňuje, aby vysoce účinná zařízení využívající energii z odpadu mohla mít prospěch ze statutu energetické využití ( energy recovery ). Význam energetického využití narůstá v souvislosti s omezováním skládkování komunálních odpadů, které vychází ze směrnice Evropské komise 1999/31/EC [2] o skládkování odpadů. V České republice je pro budování moderních spaloven odpadu významný závazek snížení podílu skládkovaného biologicky rozložitelného odpadu oproti roku 1995 (v roce 2020 pouze 35 % hmotnostních původního množství). Tento cíl dle 6. hodnotící zprávy plnění plánu odpadového hospodářství [3] není plněn, v roce 2010 bylo naopak skládkováno více biologicky rozložitelného odpadu než v referenčním roce Podíl biologicky rozložitelné složky v komunálním odpadu se tepelným zpracováním stává zdrojem tepla resp. elektřiny. V současnosti v České legislativě probíhají změny v legislativě a v přístupu státu i společnosti k odpadovému hospodářství. To se projevuje řadou konkrétních aktivit (tvorba zákonů a vyhlášek, přípravy a realizace investičních projektů, případové studie a analýzy) na kterých se aktivně podílí i členové tohoto projektu Ústav procesního a ekologického inženýrství (Vysoké učení technické v Brně) a společnost EVECO Brno, s.r.o. 5

7 Z hierarchie nakládání s odpady (Obr.1) vyplývají vhodné způsoby nakládání pro jednotlivé skupiny odpadů z katalogu odpadů [4]. Komunální odpady (skupina 20 odpady především z domácností a podobné živnostenské odpady) představují skupinu odpadů, umožňující nakládání všemi způsoby popsanými v hierarchii. Ale i s tímto odpadem je potřeba nakládat v souladu s uvedenou hierarchií. Konkrétní způsoby nakládání s komunálními odpady se však v jednotlivých zemích liší. Státy s méně rozvinutým odpadovým hospodářstvím ve velké míře využívají nevhodného skládkování. Naopak, vysoké materiálové a energetické využití je dobrým indikátorem kvality odpadového hospodářství. Většina komunálního odpadu je v českých podmínkách pouze odstraňována uložením do země skládkováním. Spalitelné komunální odpady představují významný a zatím nevyužitý zdroj energie. V českých provozech je dnes energeticky využito pouze okolo 12 % z celkové produkce směsného komunálního odpadu. V Evropské Unii je dle Eurostatu v průměru spalováno více než 20 % produkce komunálních odpadů [5]. Na obr.2 je přehled způsobů nakládání s komunálním odpadem v Evropě. Na obrázku je zřetelné, že v zemích s rozvinutým odpadovým hospodářstvím probíhá energetické využití společně s využitím materiálovým, a společně nahrazují nevhodné skládkování. V zemích s rozvinutým odpadovým hospodářstvím (např. Švýcarsko, Rakousko, Nizozemí, Švédsko) bylo skládkování téměř nebo zcela potlačeno. Uvedené údaje ukazují na značný potenciál pro využívání energie z odpadu v České Republice. Obr.2: Nakládání s komunálním odpadem v Evropě v roce 2010 dle Eurostatu [5] Následující graf zobrazuje vývoj produkce komunálního odpadu v posledních deseti letech (viz Obr.3). Zde je patrný stoupající trend produkce tohoto druhu odpadu. Druhý graf dokumentuje stoupající produkci elektřiny a tepla ve stejném období (viz Obr.4). Z grafu je mimo jiné patrný stoupající důraz na produkci elektřiny při kogeneraci (společná produkce tepla a elektřiny). Pokles ve výrobě energií v letech 2009 a 2010 je způsoben rekonstrukcemi spaloven. 6

8 Obr.3: Vývoj produkce vybraných druhů odpadu v České Republice v letech 2002 až 2011 [6] Obr.4: Vývoj produkce tepla a elektřiny z komunálních odpadů [7] 7

9 2. SPALOVÁNÍ ODPADU V PODMÍNKÁCH ČR 2.1. Spalování komunálního odpadu Termické zpracování odpadů reprezentuje řadu výhod oproti dalším způsobům nakládání s odpady, především v porovnání s rozšířeným skládkováním. Významným přínosem je například snížení objemu odpadu na cca 10 % původního objemu a redukce hmotnosti odpadu asi o dvě třetiny původní hodnoty. Dalším významným přínosem je možnost kontroly celého procesu a prevence vzniku ekologický škod objevujících se při skládkování. Výsledkem je čistý proces se sterilními a chemicky stabilními výstupními proudy a především s možností produkce tepelné či elektrické energie nebo energeticky využitelných paliv. Spalováním se odpad zpracuje velmi rychle, a to s důkladnou a přísnou kontrolou plynných i tuhých produktů spalování. Tímto způsobem se do prostředí uvolní pouze minimální množství škodlivin. Oproti zpracování odpadu skládkováním se do prostředí nedostává například metan, který má jednadvacetinásobný negativní vliv na skleníkový efekt než často uváděný oxid uhličitý [8]. Řadu nebezpečných odpadních látek lze v procesu termického zpracování přeměnit na látky neškodné. Z různých druhů termického zpracování odpadů (např. pyrolýza, zplyňování, fermentace atd.) převládá v České Republice i v Evropě přímé spalování ve specializovaných spalovacích jednotkách. Současné spalovny komunálního odpadu jsou běžně hodnoceny jako zařízení pro energetické využití s významnou produkcí elektřiny a tepla. Naopak, spalovny nebezpečných odpadů nedosahují statutu energetické využití [9], primárním účelem těchto zařízení zůstává bezpečná likvidace problematických materiálů. Výroba energie z nebezpečného odpadu však může snižovat provozní náklady a externí spotřebu energie. I když v zahraničí jsou dlouhodobě a efektivně provozovány technologie pro energetické využívání směsných komunálních odpadů, v České Republice jsou provozována pouze tři tato zařízení s celkovou zpracovatelskou kapacitou cca 650 kt/r (viz Tab.1). Nejmenším zařízením je Liberecká spalovna TERMIZO, a.s., které provozuje od roku Další dvě zařízení se nacházejí ve dvou největších českých městech (Praha a Brno), tomu odpovídá i jejich větší zpracovatelská kapacita. Rozhodující je využitelnost produkovaného tepla v sítích centrálního zásobení teplem. Technologie brněnské spalovny byla rekonstruována v letech 2009 až Technologie pražské spalovny byla naposledy upravena v roce 2009, kdy byly zavedeny nejmodernější opatření pro snižování emisí oxidů dusíku a dioxinů. Tab.1: Přehled provozovaných spaloven MSW v ČR pro rok 2011 [10 až 12] Název Lokalita Zpracovatelský výkon [t/r] Vyrobené teplo [TJ/rok] Vyrobená elektřina [MWh/rok] ZEVO Praha, Malešice 300 cca 850 cca SAKO a.s. Brno, Líšeň TERMIZO a.s. Liberec Popis technologie Schéma spalovny odpadů je znázorněno na Obr.5. Technologie spalování probíhá ve spalovací komoře. Spalování odpadů je obvykle využíváno posuvných roštů, na kterých probíhá proces oxidace. Primární spalovací vzduch je přiváděn pod rošty. Tímto způsobem je dosahováno lepšího přístupu vzduchu i do spodních vrstev odpadu ležících na roštech. Vzduch pro spalování je nasáván z prostoru bunkru (zařízení pro mísení a skladování odpadu před dávkováním do spalovací komory) čímž je vytvářen podtlak a je zamezeno šíření zápachu do okolí zařízení. Nasávaný vzduch je dále obvykle předehříván pro efektivnější využití energie a stabilnější proces spalování a teprve poté přiváděn do spalovací komory. 8

10 Obr.5: Vývoj produkce tepla a elektřiny z komunálních odpadů Vzniklý proud spalin je odveden kotle na odpadní teplo (HRSG), kde dochází k využití tepelného obsahu spalin a výroby páry. HRSG je obvykle složen ze 3 částí: ekonomizéru (napájecí voda se předehřeje na bod blízký varu a je odvedena do boileru), výparníku (napájecí voda je vypařována) a přehříváku (sytá pára je přehřívána). Vyrobená pára se dále využívá převážně pro výrobu elektrické energie a zásobování tepelné energie nebo páry pro vytápění budov pomocí centrálního zásobování teplem. Část vyrobené páry je využita také v technologii (např. předehřev spalovací vzduchu nebo zpětný ohřev spalin u některých procesů čištění spalin). Výstupní teplota spalin z HRSG je ovlivněna použitým systémem čištění spalin, tak aby byly dodrženy optimální podmínky pro provoz zařízení na redukci škodlivých látek obsažených ve spalinách. Látky obsažené v plynných produktech termického spalování společně se způsobem jejich odstraňování jsou uvedeny v Tab.2. Tab.2: Přehled látek obsažených ve spalinách Produkt spalování CO 2 H 2 O CO Popílek SO 2 HCl HF NOx Uhlovodíky, vč POP Těžké kovy Způsob odstraňování finální produkty spalování režimem spalování mechanické čištění (filtrace) chemické čištění (kontakt s alkalickými činidly) termický resp. Katalytický DENOX režim spalování, adsorpce,rozklad filtrace + chemické čištění 2.3. Spalování průmyslových a nebezpečných odpadů Nebezpečné odpady jsou odpady obsahující jednu nebo vice složek uvedených v evropském nařízení 2008/98/EC části III. Nebezpečné odpady mohou být zneškodněny pouze termicky, skládkování těchto materiálů je problematický a je zakázáno. Většina spaloven nebezpečného odpadu je konstruována pouze jako zařízení na spalování odpadů a ne na energetické využívání odpadů. Primárním cílem zařízení je zneškodnění odpadu a ne jeho energetické využití. Většina spaloven nebezpečného odpadu je spotřebovává více externí energie, než produkuje a z tohoto důvodu nesplňuje kritéria pro zařazení pro energetické využívání odpadů. 9

11 Jednotky pro spalování nebezpečných odpadů jsou téměř totožné, jako spalovny komunálních odpadů. Hlavní rozdíl je v bloku termického zpracování odpadů. Ve spalovnách průmyslového a nebezpečného odpadu (IHW) se obvykle využívá rotační pece a dvou stupňového procesu spalování, které zvyšuje účinnost spalování a umožňuje zneškodnění velkého spektra paliva, od pevných až po kapalné odpady. Dalším rozdílem je vyšší teplota spalování dána legislativou na rozdíl od minimálních teplot pro spalování komunálního odpadu. U IHW je legislativou dána nejnižší teplota spalování 1100 C za posledním přívodem vzduchu a u ZEVO je to 850 C. Teploty 1100 C se dosahuje spalováním sekundárního paliva, nejčastěji zemního plynu. Schéma zařízení na spalování nebezpečného odpadu je zobrazeno na Obr.6. Na Obr.7 je zobrazena rotační komora pro spalování nebezpečných odpadů. Obr.6: Technologické schéma spalovny nebezpečných odpadů Obr.7: Rotační pec pro spalování nebezpečných odpadů 3. KRITÉRIA VYHODNOCOVÁNÍ ENERGETICKÉHO VYUŽITÍ Efektivní využití energie v odpadu určuje několik kritérií, jejichž seznam je určen v Tab.4. První uvedené kritérium je Energetická účinnost h e (Energy efficiency, R1 faktor, (3)) stanovená evropskou legislativou, která umožňuje spalovnám komunálního odpadu klasifikaci jako kategorie Použití hlavně jako palivo nebo jiným způsobem k výrobě energie [13] a profitovat z této kategorizace. Konverzní faktory zohledňující různou účinnost výroby tepelné a elektrické energie v referenčních zdrojích používané při výpočtu R1 uvádějí vzorce (1) a (2) v Tab.3. 10

12 Tab.3: Konverzní faktory zohledňující různou účinnost výroby tepelné a elektrické energie v referenčních zdrojích Konverzní faktor pro produkci elektřiny 100/h Ref = 100/38 = 2.6 el (1) Konverzní faktor pro produkci tepla 100/h Ref = 100/91 = 1.1 th (2) Druhé kritérium uvedené v tabulce jsou Úspory primární energie (Primary Energy Savings PES), vyjádřené jako rozdíl mezi spotřebou primární energie v referenčním systému a spotřeby posuzovaných systémů se stejnou produkcí energie (4). PES není vhodné pro přímé srovnání zařízení s různou kapacitou, proto byly vyjádřeny měrné úspory pes stanovené jako PES vztažené k celkovému energetickému vstupu do procesu (E w + E f + I imp ). Pokud je hodnota pes kladná, zařízení přispívá k úsporám primární energie. Pokud je záporná, tak zařízení spotřebovává primární energii na úkor jiných zdrojů. Reimann [14] publikoval výsledky hodnocení efektivity využití energie u 97 evropských spaloven tuhého komunálního odpadu. Autor této studie rozdělil zařízení dle způsobů využití energie do tří skupin: Skupina 1: Zařízení produkující převážně elektřinu, tj. zařízení, u kterých výroba tepla nepřesáhne 5 % celkové produkce energie (25 zařízení). Skupina 2: Zařízení produkující převážně teplo, tj. zařízení, u kterých výroba elektřiny nepřesáhne 5 % celkové produkce energie (28 zařízení). Skupina 3: Zařízení s kombinovanou výrobou tepla a elektřiny (44 zařízení). Tab.4: Vyčíslení kritérií pro ZEVO (označení proudů koresponduje s Obr.8) Předpis Kritérium WTE Vzorec Directive 2008/98/EC Directive 2004/8/EC; [15] Energetická účinnost (Energy efficiency, R1 factor) Úspora primárních zdrojů (Primary energy savings, PES) Měrná úspora primárních zdrujů (Specific PES, pes) h e > 0.6 h e > 0.65 a (3) (4) pes > 0 pes > 0.6 b (5) a pro zařízení uvedená do provozu po 12. prosinci 2008 b 0.6 vysoce účinný proces. E f energie importovaná do spalovacího procesu (např. přídavné palivo) E W Energie dodaná do procesu spalováním odpadu (nebo alternativního paliva) I circ Cirkulovaná energie (elektrická a/nebo tepelná) nutná pro proces (např. pro ventilátory a čerpadla, předehřev spalovacího vzduchu nebo napájecí vody, atd.) I imp Importovaná energie nepodílející se na výrobě tepla (např. energie pro potřeby systému čistění spalin) Q exp Produkovaná energie (elektrická a/nebo tepelná) Q prod Total amount of produced energy (thermal and electrical) el - elektrická (index); th - tepelná (index); 11

13 Obr.8: Vývoj produkce tepla a elektřiny z komunálních odpadů Dalším kritériem pro hodnocení spaloven je poměrná úspora primární energie při kombinované výrobě elektřiny a tepla (UPE). Hodnota UPE (6) vyjadřuje úspory primární energie spalovací jednotky kogenerační výrobou a úspory výrobou z druhotných energetických zdrojů vztažené k výrobě v referenčních jednotkách. 10 a 15 % jsou minimální hodnoty pro finanční podporu dle české legislativy [16]. (6) T h q je účinnost dodávky tepla z kombinované výroby elektřiny a tepla definovaná jako množství užitečného tepla vyrobeného v kogenerační jednotce nebo jejich sériové sestavě dělené spotřebou energie v palivu použitém v procesu kombinované výroby elektřiny a tepla [-] V h r je výsledná harmonizovaná referenční hodnota účinnosti pro oddělenou výrobu tepla [-] T h e je elektrická účinnost kombinované výroby elektřiny a tepla definovaná jako množství elektřiny vyrobené v kogenerační jednotce nebo jejich sériové sestavě vázané na dodávku užitečného tepla dělené spotřebou energie v palivu použitém v procesu kombinované výroby elektřiny atepla; elektřina z kombinované výroby elektřiny a tepla může být pro výpočet navýšena o množství mechanické energie stanovené podle přílohy k vyhlášce [-] E h r je výsledná harmonizovaná referenční hodnota účinnosti pro oddělenou výrobu elektřiny [-] 4. ZÁVĚR Spalování odpadů je možnou cestou jak odpady energeticky využít a zároveň minimalizovat jejich objem. Spalování zmenší objem odpadů přibližně na 30% původního objemu. Další nespornou výhodou energetického využívání odpadů je úspora primárních paliv (např. uhlí, zemní plyn, atd, ), které by bylo nutné jinak spálit pro stejný zisk energie produkované ze zařízení na energetické využívání odpadů. Uvedená kritéria napomáhají k porovnání jednotlivých zařízení z pohledu využití energie. Dostatečně vysokoúčinná zařízení jsou kategorizována jako zařízení pro využití energie z odpadů s čímž souvisí možnost získání finančních podpor a další výhody. 12

14 LITERATURA [1] THE EUROPEAN PARLIAMENT AND THE COUNCIL OF THE EUROPEAN UNION. Directive 2008/98/EC on waste and repealing certain Directives [2] THE COUNCIL OF THE EUROPEAN UNION. Directive 1999/31/EC on the landfill of waste [3] MINISTERSTVO ŽIVOTNÍHO PROSTŘEDÍ. Šestá hodnotící zpráva o plnění nařízení vlády č. 197/2003 Sb., o Plánu odpadového hospodářství ČR za rok [4] MINISTERSTVO ŽIVOTNÍHO PROSTŘEDÍ. Vyhláška č. 381/2001 Sb. ze dne 17. října 2001, kterou se stanoví Katalog odpadů, Seznam nebezpečných odpadů a seznamy odpadů a států pro účely vývozu, dovozu a tranzitu odpadů a postup při udělování souhlasu k vývozu, dovozu a tranzitu odpadů (Katalog odpadů), ve znění pozdějších předpisů [5] Eurostat Statistical Office of the European Communities (EUROSTAT). [online]. [cit. leden 2013]. Dostupný z WWW: < [6] Český statistický úřad (ČSÚ) [online]. [cit. leden 2013]. Dostupný z WWW: < [7] KYSELÁK, M. Energetické využití odpadů z pohledu MPO. Prezentace na semináři Odpady 2012 a jak dál? 24. dubna [8] Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) [online]. [cit. leden 2013]. Dostupný z WWW: < [9] KROPÁČ, J.; BÉBAR, L.; PAVLAS, M. Industrial and Hazardous Waste Combustion and Energy Production. Chemical Engineering Transactions. 2012, roč. 28, č. 1, s ISSN [10] ÚTVAR ROZVOJE HLAVNÍHO MĚSTA PRAHY. ZEVO Malešice kogenerační jednotka zařízení DeNOx. [online]. [cit. leden 2013]. Dostupné z WWW: < [11] SPALOVNA A KOMUNÁLNÍ ODPADY BRNO, A.S. Výroční zpráva [online]. [cit. leden 2013]. Dostupné z WWW: < [12] TERMIZO A.S., LIBEREC. Zpráva o provozu spalovny environmentální profil za rok [online]. [cit. leden 2013]. Dostupné z WWW: < [13] THE EUROPEAN PARLIAMENT AND THE COUNCIL OF THE EUROPEAN UNION. Directive 2008/98/EC on waste and repealing certain Directives [14] REIMANN, D. O. CEWEP Energy Report (Status ) - Results of Specific Data for Energy, Efficiency Rates and Coefficients, Plant Efficiency factors and NCV of 97 European W-t-E Plants and Determination of the Main Energy Results. CEWEP - Confederation of European Waste-to-Energy Plants. Bamberg [15] PAVLAS, M.; TOUŠ, M.; BÉBAR, L.; STEHLÍK, P. Waste-to-Energy An evaluation of the environmental impact. Applied Thermal Engineering ISSN [16] MINISTERSTVO PRŮMYSLU A OBCHODU Vyhláška 453/2012 Sb. o elektřině z vysokoúčinné kombinované výroby elektřiny a tepla a elektřině z druhotných zdrojů CONTRIBUTION TITLE IN ENGLISH Keywords Energy recovery of waste, Thermal processing, Waste treatment, Municipal solid waste Summary The paper deals with one of the possible ways of waste treatment - thermal procesing of this problematic material to the current production of various forms of energy. The paper gives an overview conditions of thermal treatment of waste management in the CR and the EU with regard to the waste hierarchy. Are described equipment for thermal treatment of municipal and hazardous waste and presented criteria for assessing the energy efficiency of these devices. Ing. Lukáš Frýba, Ústav procesního a ekologického inženýrství, Fakulta strojního inženýrství, Vysoké učení technické v Brně, Technická 2896/2, Brno, tel.: (+420) , fryba@upei.fme.vutbr.cz Ing. Jiří Kropáč, Ph.D., Ústav procesního a ekologického inženýrství, Fakulta strojního inženýrství, Vysoké učení technické v Brně, Technická 2896/2, Brno, tel.: (+420) , kropac@fme.vutbr.cz 13

15 VYUŽITÍ MODERNÍCH SYSTÉMŮ ČIŠTĚNÍ SPALIN Ing. Jiří Kropáč, Ph.D. 1. ÚVOD Z výstupních procesních proudů spalovacích technologií je značná pozornost upřena na plynné produkty spalování a jejich znečištění škodlivými látkami. Problematika emisí ve spalinách je sledována odbornou i laickou veřejností, což vedlo ke stanovení velmi přísných emisních limitů v některých průmyslových oblastech. Dodržení požadavků na plynné emise řeší systémy čištění spalin, které jsou nedílnou součástí spalovacích jednotek. Návrh systémů čištění spalin může mít vliv na parametry celé spalovny. Návrh je prováděn v kontextu posouzení řady aspektů, mezi které patří: charakteristiky paliva (složení, výhřevnost), emise v surových spalinách, legislativa (emisní limity, předepsané provozní parametry). Doporučené způsoby čištění spalin vychází z referenčních dokumentů (Best Available Techniques Reference Documents BREF) o evropských nejlepších dostupných technologiích (Best Available Techniques BAT), které jsou součástí evropské legislativy. Na základě tochto dokumentů jsou vyžadovány nejaktuálnější technologie pro přestavby stávajících zařízení a pro výstavbu nových jednotek. Zde uvedené metody nejsou sice závazné, ale jsou směrodatné pro rozhodnutí, zda je provoz příslušné technologie v souladu se směrnicí 2008/1/EC [1] o integrované prevenci a omezování znečištění. BREF pro zpracování odpadních vod a plynů v chemickém průmyslu (Common Waste Water and Waste Gas Treatment/Mana-gement Systems in the Chemical Sector BREF CWW) [2] se přímo vztahuje k řešené problematice. BREF pro spalování odpadu (Waste Incineration BREF WI) [3] se také podrobně zabývá předmětnou problematikou v oblasti termického zpracování odpadů Škodliviny ze spalování Jednotlivé druhy paliv se svými charakteristikami (např. výhřevnost, vlhkost, chemické složení hořlaviny) mohou značně lišit, což značně ovlivní celý spalovací proces, včetně vzniku znečišťujících látek. Velký význam z hlediska tvorby škodlivin má kvalita spalování. Nedokonalé spalování bývá způsobeno přísunem menšího množství kyslíku, než je pro oxidační reakce třeba dle stechiometrických rovnic. Dále může být způsobeno neadekvátním směšováním paliva se spalovacím vzduchem, nízkými spalovacími teplotami, nedostatečným setrváním na těchto teplotách a dalšími vlivy. Mezi škodlivé produkty spalování patří níže uvedené polutanty. Přehled jejich škodlivých vlastností je v Tab. 1. Tab. 1 Nebezpečné vlastnosti škodlivých složek ve spalinách [4], označení škodlivin je vysvětleno v následujícím textu Škodlivina Dopady na klima, prostředí a zdraví obyvatel CO 2 Skleníkový efekt (přímo) CO Skleníkový efekt (nepřímo); vliv na astma a embrya TZL Skleníkový efekt (nepřímo); vliv na respirační systém, karcinogenní NO x Skleníkový efekt (přímo i nepřímo); způsobují smog, kyselé deště, korozi materiálů a poškozuje vegetaci; vliv na respirační systém SO x Skleníkový efekt (přímo i nepřímo); způsobují smog, kyselé deště, korozi materiálů a poškozuje vegetaci; vliv na respirační systém a astma HCl Způsobuje kyselé deště, korozi materiálů a poškozuje vegetaci; vliv na respirační systém, toxický HF Způsobuje kyselé deště, korozi materiálů a poškozuje vegetaci; vliv na respirační systém, toxický PAH Způsobují smog; karcinogenní VOC Skleníkový efekt (nepřímo); vliv na respirační systém CH 4 Skleníkový efekt (přímo i nepřímo), má několikanásobně větší negativní vliv na klima než často uváděný oxid uhličitý PCDD/F Vysoce toxické; akumulují se v potravinovém řetězci; poškozují játra, centrální nervový systém a imunitu NH 3 Způsobuje kyselé deště, korozi materiálů a poškozuje vegetaci; vliv na respirační systém O 3 Skleníkový efekt (přímo); způsobuje smog, korozi materiálů a poškozuje vegetaci; vliv na respirační systém a astma Těžké kovy Některé jsou toxické a/nebo karcinogenní (především Hg, Cd, Tl a As); akumulují se v potravinovém řetězci 14

16 Oxid uhličitý (CO 2 ) a oxid uhelnatý (CO) Oxid uhličitý a vodní pára jsou konečnými oxidačními produkty při spalování uhlíkatých paliv, včetně odpadů. Efektivní snižování emisí CO 2 je zatím ve stadiu výzkumu. Značně jedovatý oxid uhelnatý je hlavní produkt nedokonalého spalování, zároveň je dobrým indikátorem kvality spalovacího procesu. Při dostatečné dostupnosti kyslíku oxiduje dále na méně nebezpečný oxid uhličitý. Tuhé znečišťující látky (TZL) Mezi TZL ve spalinách patří částice popelovin unešené proudem spalin ze spalovací komory (úletové popeloviny, průměr větší jak 1 mm) a aerosoly (např. soli KCl, NaCl, K 2 SO 4, průměr menší jak 1 mm), které jsou výsledkem reakcí mezi draslíkem nebo sodíkem a chlorem nebo sírou. Další částice vznikají při nedokonalém spalování a tvoří saze a zkondenzovaný dehet. Na povrch TZL se adsorbují těžké kovy a dioxiny, což zvyšuje význam odprášení především jemných částic s vysokým měrným povrchem ze spalin. Zachycené částice je třeba po zachycení ze spalin bezpečně zpracovat. Oxidy dusíku (NO x ) Emise oxidů dusíku jsou produktem oxidace dusíku. Rozeznávají se tři způsoby tvorby oxidů dusíku, které rozhodují o celkovém objemu vzniklých dusíkatých škodlivin ve spalinách: palivové (rozhodující je velikost přebytku vzduchu a množství dusíku v palivu při teplotách 600 až 800 C), termické (při teplotách nad 1200 C dle dostupnosti kyslíku) a promptní oxidy dusíku (množství vytvořených oxidů dusíku stoupá s teplotou). Oxidy síry (SO x ) Emise oxidů síry jsou výsledkem kompletní oxidace síry z paliva. Jedná se hlavně o toxický oxid siřičitý (SO 2, více než 95 %) a při nižších teplotách o oxid sírový (SO 3 ), který se v atmosféře slučuje s vlhkostí ze vzduchu na H 2 SO 4. Ne všechna síra z paliva projde oxidací, část zůstává v popelovinách, a část je emitována ve formě solí (tuhé částice K 2 SO 4 s průměrem menším jak 1 mm) nebo při nižších teplotách jako sirovodík a jiné sloučeniny. Chlorovodík (HCl) a fluorovodík (HF) Chlor může při teplotách nad 550 C zapříčinit vysokoteplotní korozi teplosměnných ploch kotle. Hlavní část chloru z paliva reaguje s draslíkem a sodíkem a vytváří soli (KCl, NaCl), které tvoří tuhé částice. Část chloru reaguje s vodíkem a do spalin se uvolní jako HCl. Přítomností fluoru v palivu a jeho reakcí s vodíkem se může objevit také HF. Polychlorované dibenzodioxiny a furany (PCDD/F, dioxiny) Dioxiny patří do skupiny perzistentních organických látek se schopností zůstat v prostředí po dlouhou dobu beze změny. Do této skupiny dále patří polychlorované bifenyly a polyaromatické uhlovodíky. PCDD/F vznikají buď uměle, nebo přirozenou cestou v přírodě a v důsledku akumulace se vyskytují všude v prostředí kolem nás. Jejich tvorbu ovlivňuje mnoho podmínek a nelze ji plně potlačit. Obecně je pro jejich vznik nezbytná přítomnost uhlíku, chloru, kyslíku a katalyzátoru (měď). Uhlovodíky vznikají jako meziprodukt při konverzi uhlíku a vodíku z paliva na CO 2 a H 2 O. Polycyklické aromatické uhlovodíky (PAH) jsou karcinogenní. Těkavé organické sloučeniny (VOC) postupně kondenzují a tvoří emise tuhých částic. Objevit se může také tvorba metanu (CH 4 ). Tvorba uhlovodíků je stejně jako emise oxidu uhelnatého způsobena nízkou teplotou a nedostatečnou prodlevou spalin v termickém bloku, nebo nedostupností potřebného kyslíku. Amoniak (čpavek, NH 3 ) může v malém množství vznikat za velmi nízkých teplot jako mezistupeň při tvorbě NO x. Některá opatření pro snižování emisí využívají čpavku jako činidla, jeho nedokonalé dávkování se také může projevit v koncových spalinách. Ozón (O 3 ) může vznikat nepřímo atmosférickými reakcemi mezi oxidem uhelnatým, metanem, těkavými organickými sloučeninami a oxidy dusíku. Mezi složky paliva patří také těžké kovy (např. měď, olovo, rtuť, kadmium). Ty mohou zůstat v popelovinách, odpařit se do spalin, nebo také pokrýt povrch emitovaných částic. Jejich odstranění na úroveň stanovenou legislativou bývají dostačující účinné separační postupy pro odstranění popílku ze spalin, případně absorpční a adsorpční metody. Spolu s palivem se do procesu může dostat i rtuť, která bývá zachycena v systému čištění spalin. 15

17 1.2. Legislativa a emisní limity Od 1. září 2012 platí nový zákon č. 201/2012 Sb. o ochraně ovzduší [5], který nahrazuje mj. zákon č. 86/2002 o ochraně ovzduší. Příloha č. 9 tohoto zákona stanoví sazby poplatků za znečišťování, dále jsou stanoveny emisní limity stacionárních spalovacích zdrojů. Vyhláška 415/2012 Sb. o přípustné úrovni znečišťování a jejím zjišťování a o provedení některých dalších ustanovení zákona o ochraně ovzduší [6] stanovila specifické emisní limity pro odpad a další paliva. Obecně platí, že emisní limity jsou přísnější pro velká zařízení, která mají lepší podmínky pro optimalizaci spalovacího procesu a větší ekonomickou dostupnost sekundárních opatření pro snižování škodlivých emisí ve spalinách. Pro malé (jmenovitý výkon < 0,2 MW) zdroje spalující biomasu nejsou limity stanoveny. Aparáty na odstranění NO x a SO x se v těchto případech většinou ekonomicky nevyplatí, často zde dochází k nedokonalému spalování. České emisní limity pro střední (jmenovitý výkon 0,3 5 MW) a velká (jmenovitý výkon 5 50 MW) zařízení spalující biomasu jsou uvedeny v Tab. 2. Tab. 2 České emisní limity pro střední a velká spalovací zařízení spalující dřevo nebo biomasu, nekontaminovaný dřevní odpad, kůru a podobné rostlinné látky [6] Jmenovitý tepelný výkon Emisní limity [mg/m 3 ] Referenční SO obsah O x jako SO 2 NO x jako NO 2 CO TZL 2 0,3 MW P th 5 MW MW P th 50 MW Legislativa v oblasti zpracování odpadů klade na spalovny odpadů řadu náročných technologických požadavků. Spalování odpadů se odlišuje od ostatních spalovacích procesů nutností sledovat a účinně snižovat více druhů polutantů, což zvyšuje investiční nároky na provozovatele spaloven. Například emise PCDD/F se vyskytují u většiny spalovacích zařízení, v české legislativě jsou však omezeny pouze u spaloven odpadů limitem 0,1 ng TEQ/m 3, který je dán evropskou legislativou. Provozní podmínky a emisní limity pro jednotlivé znečišťující látky při spalování odpadu jsou uvedeny v Tab. 3. Kromě uvedených limitů škodlivin ve spalinách klade legislativa požadavky na vedení spalovacího procesu, především na dostatečné setrvání spalin při vysokých teplotách pro zajištění dokonalého spalování. Dále jsou zákonem stanoveny další požadavky týkající se nakládání s odpady vzniklými zpracováním původních materiálů, vedení a monitorování procesu termického zpracování odpadů atd. Česká legislativa je v této oblasti v souladu s evropskými emisními limity, které stanovuje direktiva 2010/75/EU [7]. V porovnání s ostatními palivy jsou české emisní limity stanovené pro spalování odpadů nejvíce přísné, na stejné úrovni jsou pouze limity pro spalování zemního plynu (ušlechtilé palivo s nízkou produkcí emisí). Rozdíl v náročnosti limitů je zřetelný například z porovnání průměrných denních hodnot emisních limitů pro odpad (Tab. 3) s emisními limity pro biomasu v Tab. 2. Od 1. ledna 2014 a 2018 budou hodnoty pro ostatní paliva zpřísněny dle nového zákona č. 201/2012 Sb. o ovzduší, který vstoupil v platnost 1. září 2012 [5]. 16

18 Tab. 3 Maximální přípustné koncentrace znečišťujících látek v emisích ze spaloven odpadů dle vyhlášky 415/2012 Sb. [6], respektive dle směrnice evropské komise 2010/75/EU [7], (vztaženo na suché spaliny při 0 C a 101,325 kpa, referenční obsah kyslíku 11 % obj.) 2. TECHNOLOGIE PRO SNIŽOVÁNÍ EMISÍ VE SPALINÁCH Pro splnění emisních limitů se uplatňují kombinace opatření pro snížení emisí ve spalinách. Používané metody se dají dělit dle způsobu zamezení emise škodlivin na primární a sekundární opatření. Primární opatření mají potlačit vznik emisí a sekundární opatření odstraňují ze spalin již vytvořené škodliviny. Primární opatření slouží především k eliminaci škodlivin zamezením jejich tvorby. Výrazně přispívají k dosažení podmínek dokonalého spalování, kterými jsou dostatečně vysoká teplota, účinné směšování prchavých látek z paliva s kyslíkem ze vzduchu a dostatek času pro vyhoření všech spalitelných plynů ve spalinách. Omezení tvorby škodlivin lze obecně provést těmito úpravami spalovacího procesu a vlastností paliva [3]: změnou složení paliva a vlhkosti paliva, změnou velikosti částic paliva, vhodnou volbou typu a konstrukce spalovacího zařízení, kontrolou a optimalizací spalovacího procesu, přívodem sekundárního vzduchu, přívodem sekundárního paliva, zavedením katalytických konvertorů, zavedením recyklu spalin. Čištění spalin od již vytvořených škodlivin prostřednictvím sekundárních opatření pro čištění spalin se uskutečňuje kombinací mechanických (odebráním škodlivin z proudu spalin) a chemických (rozklad polutantů na méně škodlivé látky) metod. Tyto procesy jsou obvykle zajištěny v aparátech umístěných za předchozími bloky spalovny, tedy na konci spalinové trasy před komínem. Nejčastěji používané aparáty a technologie pro snižování emisí hlavních skupin škodlivých látek jsou představeny v následujícím textu včetně přehledu jejich výhod a nevýhod. 17

19 Usazovací komory a multicyklóny Mezi nejjednodušší technologie pro odloučení TZL patří usazovací komory a cyklón, případně multicyklón. Usazovací komory nejsou užívány jako samostatný aparát kvůli velkým prostorovým nárokům a nízké účinnosti, k usazování ovšem dochází na některých místech spalinové cesty samovolně. K odstranění tuhých částic využívají gravitačních sil, cyklóny využívají kombinace gravitačních a odstředivých sil (Obr. 1). Zvýšení účinností lze dosáhnout snížením průměru cyklónu. Proto se užívá multicyklónů, ve kterých je paralelně zapojeno více cyklónů. Tím se zvyšuje tlaková ztráta, cena i nároky na údržbu. Výhody: nízká cena, malé nároky na údržbu, malá tlaková ztráta. Nevýhody: nízká účinnost při zachycování malých částic, na stěnách může kondenzovat dehet, citlivost na změnu průtoku částic. Obr. 1 Znázornění drah částic v cyklónu [8] Elektrostatické odlučovače (ESP) Účinkem elektrostatického pole TZL získají elektrický náboj, poté jsou vedeny elektrostatickým polem, ve kterém jsou přitahovány na základě elektrostatických sil ke sběrným elektrodám. Zanesené elektrody se čistí periodicky pomocí vibrací. Pomocí elektrostatického odlučování lze vysoce účinně odstranit i prachové částice malých rozměrů. Příklad dvou možných provedení je převeden na Obr. 2. Výhody: vysoká účinnost i pro velmi malé částice, malá tlaková ztráta. Nevýhody: vyšší pořizovací cena, citlivost na změnu průtoku částic. Obr. 2 Různá provedení elektrostatických odlučovačů a) plochý, b) válcový kombinovaný s cyklónovým odlučovačem [9] 18

20 Tkaninové (pytlové, látkové) filtry Spaliny se v tomto případě filtrují od tuhých částic přes materiál rukávců, které jsou zavěšeny v uzavřené konstrukci. Většinou je použito několik desítek nebo stovek rukávců, dle průtoku spalin a dispozičních možností. Materiál rukávců se může lišit podle podmínek filtrace, dle teploty a míry znečištění spalin lze použít různé textilie a polymery. Nánosy na povrchu filtrů zvyšují filtrační účinnost a tlakovou ztrátu aparátu, k jejich odstranění se užívá vibrací nebo zpětných tlakových rázů. Výhody: vysoká účinnost, zachycuje i velmi malé částice, odstraňování tuhých produktů ostatních technologií pro čištění spalin (adsorpce, absorpční zbytky). Nevýhody: nízké provozní teploty (dle materiálu), možnost kondenzace dehtu na povrchu filtru, malá odolnost tkanin proti chemicky aktivním látkám, nebezpečí vznícení filtru od jisker ve spalinách, omezená životnost rukávců. Keramické filtry Fungují na stejném principu jako tkaninové filtry, oproti nim mají vyšší odolnost vůči nepříznivým pracovním podmínkám. Mohou například pracovat i při teplotách až 900 C. Výhody: vysoká účinnost, vysoká odolnost vůči agresivnímu prostředí a propálení. Nevýhody: vyšší cena oproti tkaninovým filtrům. Katalytické filtry Tato zařízení spojují povrchovou filtraci tuhých částic s katalytickým zneškodňováním dalších škodlivin ve spalinách. Technologie využívá filtrační rukávce sestávající z filtrační membrány a z plsti napuštěné katalyzátorem pro rozklad PCDD/F na H 2 O, CO 2 a HCl. Zařízení také snižuje množství oxidů dusíku ve spalinách přibližně o jednu třetinu [10]. Možná jsou provedení s využitím jak tkaninového, tak i keramického filtru. Kromě katalytického rozkladu jsou dioxiny odlučovány společně s velmi jemnými částečkami popílku (do 2,5 mm), které jsou zachyceny filtrem. Výhody: vysoká účinnost odstraňování tuhých částic a dioxinů, zachycuje i velmi jemné částice ve spalinách, možnost nahrazení více zařízení jedním, nízké provozní náklady, dlouhá životnost, nižší produkce tuhého odpadu z filtru oproti adsorpčnímu čištění. Nevýhody: vyšší investiční náklady oproti tkaninovým filtrům. Mokrá vypírka Kontaktem čištěných spalin obsahujících plynné škodliviny kyselého charakteru (SO 2, SO 3, HCl, HF, event. NO 2 ), s absorpčními kapalinami lze odstraňovat ze spalin tyto nežádoucí složky. Aparát také může zachycovat tuhé částice pomocí mlhy z jemných vodních kapek. Ke kontaktu čištěného plynu s reakčním činidlem dochází pomocí sprchování kapalinou, průchodem čištěného plynu nádobou s kapalinou, případně pomocí dalších metod. Důležitou součástí zařízení je tzv. demister pro zachycení znečištěných kapek na výstupu spalin ze zařízení. K dosažení účinného odstraňování se užívá energeticky náročných aparátů, např. Venturiho vypírky. Nutné je dále zpracovat použitou absorpční kapalinu. Příklad možného provedení aparátu je předveden na Obr. 3. Výhody: možnost odstranění více druhů škodlivin, čistí i spaliny o vysoké teplotě, variabilita možných provedení, menší prostorové nároky. Nevýhody: korozivní prostředí, nutnost dále zpracovat znečištěnou absorpční kapalinu, při vyšších účinnostech energeticky náročné. 19