Termické zpracování odpadů. Ing. Jan Malaťák, Ph.D.

Transkript

1 Termické zpracování odpadů SPALOVNY Ing. Jan Malaťák, Ph.D. Praha 2006

2 Termické zpracování odpadů Těmito postupy jsou původně nebezpečné látky v hořlavých odpadech přeměněny na poměrně neškodné produkty. Přitom ovšem nutno mít na paměti, že uvedené termické metody nejsou konečným způsobem odstranění odpadů, neboť vznikají vedlejší produkty, jimiž je popel (struska) a plynné látky, jež obsahují škodlivé plynné i pevné částice. a) Procesy oxidační, což jsou procesy termického zneškodnění odpadů, při nichž je obsah kyslíku v reakčním prostoru stechiometrický nebo vyšší vzhledem k obsahu hořlavých látek ve zpracovávaném odpadu. V tomto případě budeme hovořit o spalování odpadů. Další členění těchto oxidačních (spalovacích) procesů je pak možné dle teplot v reakčním prostoru a to na procesy: nízkoteplotní s teplotou reakčního prostoru do C; vysokoteplotní s teplotou reakčního prostoru nad C. b) Procesy redukční, jimiž rozumíme takové procesy termického zneškodňování odpadů, při nichž je obsah kyslíku v reakčním prostoru nulový nebo podstechiometrický vzhledem k obsahu hořlavých látek ve zpracovávaném odpadu. Mezi tyto procesy řadíme pyrolýzu a zplyňování. Pyrolýza odpadů je tepelný rozklad organických odpadních látek za nepřístupu oxidačních medií (vzduch, kyslík, oxid uhličitý, vodní pára) v reakčním prostoru, při němž se při teplotách nejčastěji v rozmezí 500 C až 1000 C výšemolekulární organické látky rozpadají na jednoduché těkavé produkty a koks. Zplyňování odpadů je řízený tepelný rozklad odpadních látek při teplotách nad 800 C za podstechiometrického obsahu kyslíku v reakčním prostoru, směřující k přeměně uhlíkatých materiálů na plynné hořlavé látky požadovaného složení.

3 Vlastnosti spalovaných odpadů Spalovací technologie může být aplikována na širokou řadu odpadů, ať již se jedná o odpady komunální (včetně kalů z čistíren odpadních vod), průmyslové, zemědělské či zvláštní, vyskytující se ve všech fyzikálních konzistencích, tj. ve skupenství tuhém, tekutém, plynném či pastovitém. Každé palivo je charakterizováno jednak obsahem hořlaviny (především obsahem spalitelných látek, tj. uhlíku, vodíku, síry); jednak obsahem popela (je určen celkovým množstvím minerálních látek a označován písmenem A) a vlhkosti (označováno W). Hranicí pro spalování tuhého odpadu bez přívodu podpůrného paliva je minimální výhřevnost odpadu kj.kg-1; této podmínce odpovídá následující složení odpadu: obsah popela A 60 %; obsah vlhkosti W 50 %; obsah hořlaviny C 25 %. Platí: C+W+A=100% Tyto podmínky složení odpadů jsou reprezentovány Tannerovým (trojným) diagramem.

4 Výhody a nevýhody spalování Jde především o snížení objemu odpadů na cca 10 % až 15 % objemu původního (odpovídá snížení hmotnosti na 20 až 40 % hmotnosti původní), což ve srovnání s dalšími metodami zneškodňování, tj. kompostováním nebo skládkováním, je snížení mnohem výraznější. Významnou předností metody spalování je rovněž skutečnost, že pro mnohé typy odpadů (např. chemické odpady, zvláštní zdravotní odpady), je to prakticky jediný vhodný způsob zneškodnění, přičemž zbytek po spalování je tuhý, sterilní a většinou nepodléhá dalšímu rozkladu. Spalování odpadů však má rovněž své nevýhodné stránky, k nimž patří zejména: vysoké investiční náklady na výstavbu spaloven; vysoké náklady na provoz a údržbu zařízení; potřeba kvalifikovaného personálu pro provoz a údržbu; problémy s možnostmi využití vyrobeného tepla; možná destrukce odpadních látek potenciálně recyklovatelných; nezbytnost nákladných opatření k zábraně emisí do ovzduší a vody.

5 Základní druhy spalovacích zařízení na zneškodňování odpadů Roštové pece Pece s pevnými rošty Pece s pohyblivými rošty: a) natřásací rošty, b) pásové rošty, c) posuvné rošty, d) otočné rošty, e) válcové rošty. Bubnové rotační pece Rotační spalovací zařízení s dohořívací komorou: 1-hořák v pevné vstupní hlavě, 2-sušicí pásmo, 3-spalovací pásmo, 4-vychlazovací pásmo, 5-sekundární vzduch, 6-dohořívací a usazovací komora, 7-kontrolní okénko.

6 Šachtové pece: Kuplovna Šikmá pec Etážové pece Etážová pec: a-sušící pásmo, b-spalovací pásmo, c-chladící pásmo, 1-přídavné spalování odpadních kapalných paliv, 2-ventilátor chladícího vzduchu, 3-výstup ohřátého vzduchu, 4-ohřátý vzduch do hořáků, 5-přívod odpadního materiálu, 6-odvod plynných spalin, 7-etáže sušícího pásma, 8-odvod tuhých zbytků po spalování.

7 Muflové pece Fluidní pece Fluidní ohniště jako přídavné spalovací zařízení k parním kotlům: 1-prostor fluidní vrstvy, 2-uklidňovací prostor, 3-výstup spalin, 4-přívod paliva, 5-průlezová dvířka, 6-zapalovací otvor, 7-fluidizační vzduch, 8-fluidní rošt, 9-chladící voda, 10-výpusť propadu, 11-výpusť popela z fluidní vrstvy. Komorové pece Prostorové pece

8 Schéma roštové spalovny komunálního odpadu

9 Schéma roštové spalovny komunálního odpadu

10 Základní technologické funkce spalovny: příjem a skladování odpadů; sázení a spalování odpadů; chlazení nebo využívání tepla spalin; čištění spalin a odvod spalin (komín); odstranění pevných zbytků po spalování. Tok materiálů (schéma) spalovny komunálních odpadů

11 Příjem a skladování odpadů Po průchodu vážícím zařízením auta na svoz odpadů vyprazdňují svůj náklad do uskladňovacího bunkru (zásobníku). Hlavním úkolem uvedených zásobníků je zajištění dostatečné zásoby odpadů pro zabezpečení kontinuálního (24 hodin denně) provozu spalovny při poměrně krátké době (8 hodin denně) dopravy odpadů do areálu spalovny. Potřebná skladovací kapacita je tedy určena poměrem mezi dobou periody svážení odpadů a dobou periody zavážení spalovací pece. Délka zásobníku je určena potřebným počtem vykládacích míst a jejich počet je zase závislý na počtu aut dovážejících odpady během doby periody svozu. Ve velkých spalovnách bývají rezervována separátní vykládací místa pro průmyslový a obchodní odpad. Na jedné straně zásobníku bývá instalováno zvláštní stříhací zařízení nebo rotační nárazový lamač pro redukci objemných částí odpadu na velikost vhodnou pro sázení do pece. Hluboké zásobníky musí být vybaveny bezpečnostním zařízením pro zabránění pádu vozidla do zásobníku; nezbytné je rovněž vybavení hasicím zařízením pro případný vznik požáru v zásobníku. Celá oblast zásobníku musí být udržována při slabém podtlaku, aby bylo zabráněno úniku zápachu.

12 Sázecí zařízení Odpad ze zásobníku je sázen do spalovací pece obvykle pomocí mostového jeřábu, který umožňuje jak podélný, tak i příčný pohyb nad zásobníkem. Jeřáby pro spalovny patří do kategorie jeřábů určených pro těžké podmínky. Chapadla jeřábů musí umožnit nejen vlastní sázení (jejich kapacita bývá 1 až 4 m 3 ) do pece, ale rovněž promíchávání odpadů v zásobníku a jeho vyhovující vyčištění. Vlastní sázení odpadu do pece probíhá pomocí sázecí násypky. Tato sestává z ocelové konstrukce, obyčejně ve spodní části uzavřené pomocí hydraulicky ovládaného šoupátka. Odstraňování popela Procesy spalování odpadů produkují pevné zbytky pocházející ze tří různých zdrojů: jednak z propadu jemných částic roštem, jednak ze zbytků po spalování na konci roštu (škvára, popel) a konečně i tuhé zbytky z chlazení a čištěni spalin. Zbytky po spalování (popel, škvára, kovové části apod.) jsou kontinuálně odstraňovány na konci posledního roštu a chlazeny ve vodní nádrži. Z chladicí nádrže jsou pevné zbytky odstraňovány pomocí řetězového konveyoru a skládkovány společně s ostatními pevnými zbytky na skládce odpovídajícího typu. V některých případech možno sklovitou škváru a popel využít pro stavební účely; železné kovy (hlavně plechovky, konzervy apod.) lze magneticky separovat a využít jako železný šrot. Konečné zneškodnění škváry ze spalovny obvykle nečiní problémy, avšak popílek (z odlučovačů) často obsahuje značné množství těžkých kovů, proto jeho skládkování je možné jen na skládce nebezpečných odpadů.

13 Chlazení spalin Teplota spalin opouštějících spalovací komoru, respektive komoru dodatečného spalování (bývá mezi 800 C až C) je příliš vysoká pro přímý vstup do zařízení na čištěni spalin. Příkladně teplota spalin na vstupu do elektrostatického odlučovače by neměla přesáhnout 350 C, což umožní jeho konstrukci z lacinějších neušlechtilých ocelí. Pro zajištění potřebného zchlazení spalin možno použít některý z následujících způsobů: chlazení vodními sprchami; chlazení vzduchem; chlazení ve výměníku. Odvod spalin, komín Vzhledem k tomu, že spalovny pracují obvykle s umělým tahem, vyvozeným účinkem spalinového ventilátoru, má komín za úkol pouze odvod spalin do ovzduší a výška komína je v tomto případě určena pouze hledisky hygienickými, případně urbanistickými. Provedení komínů bývá zděné, železobetonové, nejčastěji ocelové; ocelové komíny bývají buď s vyzdívkou nebo bez, což závisí na teplotách a složení odváděných spalin. Komíny se stavějí jako kotvené nebo samonosné.

14 Produkty termických procesů Zařízení pro termické zneškodňování odpadů sice přinášejí celou řadu příznivých aspektů do oblasti nakládání s odpady, přesto však jejich použití není zcela bez negativních vlivů na prostředí, jež vyplývají především z nutnosti ošetřit produkty spalovacích procesů. Tento problém vyplyne zřetelněji z bilančních hodnot produktů spalování vznikajících ve spalovně komunálních odpadů na každou tunu spalovaných odpadů: m3n.t-1 spalin; 0,25 až 0,4 t.t-1 pevných zbytků; několik m3.t-1 odpadní vody; jež je nutno odvést do ovzduší, stok či vodních toků, či do půdy. Tuhé odpady ze spalovny Prakticky u každé technologie termického zneškodňování se vyskytuji následující druhy tuhých zbytků: škvára, struska nebo polokoks jako hlavní zbytek po termickém procesu; tuhé částice ze suchého odprášení spalin; tuhý zbytek (nebo kal) z procesu čištění spalin; tuhý zbytek (nebo kal) z procesu čištění technologických vod.

15 Hlavní tuhý zbytek Hlavním tuhým zbytkem je u rozdílných termických technologií škvára (popel), struska nebo polokoks, které mohou představovat nebezpečí při svém volném deponování především kvůli výluhům kovových iontů. Výrazné omezení vyluhovatelnosti kovových iontů lze dosáhnout protavením strusky, přičemž i prostým roztavením strusky bez aditiv dochází k vytvoření pevné vazby kovových složek (včetně těžkých kovů) do vysoce nerozpustných minerálů spinelového typu. Vyluhovatelnost těchto složek lze také částečně nebo zcela omezit aplikací vhodného salidifikačního postupu (cementace, bitumenace, vitrifikace). Tuhé podíly z odprášení a čištění spalin Tyto tuhé podíly jsou řádově nebezpečnější než hlavní tuhý zbytek. Jedná se většinou o velmi jemné prachy nebo kaly, obsahující vysoké koncentrace polychlorovaných dibenzodioxinů (PCDD) a dibenzofuranů (PCDF) a kovové oxidy s vysokým podílem těžkých kovů, zvláště těkajících v podmínkách při nichž spalování probíhá (ZnO, CdO, PbO, Al2O3) a většinu rtuti, kterou odpady obsahovaly a to jak v kovové, tak i v oxidické formě. Pro odstranění těchto toxických prachů se používá technologie recyklace do spalovacího procesu; tento postup však vede k nárůstu koncentrace složek v primárním čisticím okruhu. Jinou možností je aplikace mokrých procesů čištění spalin, umožňujících z oběhového pracího média těžké kovy srážet, filtrovat a takto získávat dále zpracovatelný koncentrát.

16 Plynné produkty spalování Typické složení surových spalin ze spalovny odpadů. Složka Obsah H2O % obj. CO % obj. O % obj. CO < 0 1 % obj. Prach 2-15 g.m -3 N Cl mg.m -3 N (jako HCl) F- 0,5-2 mg.m -3 N (jako HF) SO2 + SO mg.m -3 N (převážně SO 2 ) NO + SO mg.m -3 N (převážně NO)

17 Základní úlohy technologií používaných pro čištění spalin a) zachycení maxima prachu (a tím i těžkých kovů a PCDD / PCDF); b) odstranění kyselých složek spalin (SO x, HCl, HF); v závislosti na obsahu škodlivin ve vstupujících odpadech mohou přicházet v úvahu i další, doplňkové technologie, jejichž úlohou je: a)odstranění SO x ; b) odstranění stopových příměsí (PCDD / PCDF, Hg).

18 Čištění spalin Odlučování prachových částic Prachové částice představují hlavní zdroj potenciálních emisí spaloven; jejich obsah ve spalinách je určen celou řadou faktorů: obsahem popela v odpadu, výškou lože odpadu a množstvím spalovacího vzduchu přiváděného pod rošt, stupněm promíchávání odpadů na roštu či na nístěji spalovací pece a rychlostí proudění plynu. Ve spalovnách komunálního odpadu tíha prachových částic ve spalinách obvykle činí 10 až 75 kg.t -1 odpadu, neboli 2 až 15 g.m -3 N spalin (při návrhu nových spaloven bývá běžně uvažován směrný obsah prachu 5 až 10 g.m -3 N ). Prachové částice mohou být zachycovány různými typy odlučovačů, pracujících na základě rozdílných principů, s různou účinností a s různou vhodností pro jednotlivé druhy prachů. Dle principu funkce možno tato zařízení členit na: odlučovače mechanické (suché, mokré); odlučovače elektrické (suché, mokré); filtry.

19 Odlučovače mechanické (suché, mokré) Suchý vírový odlučovač Sestava vírových článků Mokrý vírníkový (cyklón) odlučovač 1 vstup plynu; 2 odstředivá komora; 1 vírové trubice; 2 rozváděcí lopatky; 3 výmetný otvor; 4 výsypka; 3 trysky; 4 vírník; 5 odvod kalu; 5 výstup vyčištěného plynu 6 - výstup

20 Odlučovače mechanické (suché, mokré) A B C Příklady uspořádání mokrých proudových odlučovačů (pračky Venturi) A - proudový odlučovač Korting, Aeroget; B - proudový odlučovač Matra, Venturi; C - proudový odlučovač Pease Antony skruber; 1- vstup plynů; 2 - výstup plynu; 3 - výstup plynu

21 Odlučovače elektrické Schéma elektrického odlučovače 1 izolátor; 2 vyzařovací elektrody; 3 sběrné elektrody; 4 vstup znečištěných plynů; 5 prach; 6 zásobník prachu; 7 výstup čistých plynů; 8 transformátor a usměrňovač vysokého napětí

22 Filtry Rukávový filtr s mechanickým oklepáváním Typické hodnoty celkové účinnosti jednotlivých odlučovačů: cyklóny do 85%; filtry přes 99 %; elektrostatické odlučovače přes 99 %; mokré scrubbery 90 až 95 %.

23 Odstraňování (zachycování) kyselých složek Podle charakteru možno procesy odstraňování kyselých složek rozdělit v závislosti na fyzikálním stavu sorpčního činidla do tří základních skupin: suché procesy; polosuché procesy; mokré procesy.

24 Suché a polosuché procesy Suché čištění spalin 1 surové spaliny; 2 čisté spaliny; 3 reaktor; 4 trysky; 5 elektrofiltr; 6 spalinový ventilátor; 7 dopravníky prachu; 8 procesní voda; 9 stlačený vzduch; 10 zásobník aditiva Polosuché čištění spalin 1 surové spaliny; 2 čisté spaliny; 3 rozprašovací absorbér; 4 trysky; 5 fitr; 6 spalinový ventilátor; 7 dopravník prachu; 8 silo recyklu; 9 vápenné mléko; 10 procesní voda; 11 tlakový vzduch; 12 silo páleného vápna; 13 hašení vápna; 14 tuhý produkt

25 Mokré procesy Mokré čištění spalin

26 Denitrifikace spalin Vysokoteplotní procesy jsou doprovázeny tvorbou oxidů dusíku, jejichž vznik nastává třemi základními způsoby: oxidací dusíku ze spalovacího vzduchu za vysokých teplot (tzv. vysokoteplotní NO X ); oxidací dusíku chemicky vázaného v palivu (tzv. palivové NO X ); radikálovými reakcemi na rozhraní plamene z chemicky vázaného dusíku v palivu (tzv. promptní NO X ). Nekatalytický (horký) proces (Selective NonCatalytic Reduction SNCR) Katalytický proces (Selective Catalytic Reduction, SCR)

27 Odstraňování stopových příměsí Pro odstranění stopových příměsí škodlivin je jako speciální dočišťovací proces využívána metoda jejich adsorpce na aktivním uhlí nebo koksu. Průchodem spalin přes aktivní vrstvu dochází k zachycení zejména organokovových škodlivin a rtuti, což umožňuje účinné snížení jejich obsahu ve spalinách odváděných do ovzduší. Použité aktivní uhlí je sice možno termicky regenerovat, přesto je však aplikace této metody finančně nákladná. V některých spalovnách je proto tento dočišťovací proces na aktivním uhlí využíván s časovým omezením na spalování odpadů se zvýšeným obsahem škodlivin. Odpadní vody ze spaloven odpadů Odpadní vody vznikají ve spalovnách odpadů jednak při chlazení hlavního tuhého zbytku (popel, škvára), při čištění spalin využívajícím mokré odlučovače a dále v případech instalace kotle na odpadní teplo z čištění napájecí vody pro kotel. Chladicí voda obsahuje vyloužené soli a nespálené organické složky z tuhého zbytku a rovněž v suspenzi obsažené pevné částice. Pokud je pro čištění spalin využíváno mokrého postupu, pak vzniklý roztok s kalem má kyselou reakci v důsledku absorpce plynných složek (HCl, SO 2, SO 3, CO 2, NO x ); po usazení částic může být prací voda částečně recirkulována.

28 Využití odpadního tepla Spalování odpadů je svázáno s produkcí tepla, které může být vhodným způsobem navráceno a využito; v jediném procesu tak dochází k současnému zneškodnění odpadu a uvolnění tepla, jež může být konvertováno na využitelnou energii. K tomuto je možno využít dva základní procesy: jednak využití tepla odcházejících spalin ve výměníku nejčastěji rekuperativního typu k předehřátí spalovacího vzduchu přiváděného následně ke spalování odpadů, jednak využití tepla spalin k výrobě páry nebo teplé užitkové vody v kotli na odpadní teplo. Přitom výroba páry při využití odpadního tepla ze spaloven odpadů je mnohem častější než příprava teplé užitkové vody nebo předehřev spalovacího vzduchu. Schéma nepřímého chlazení spalin Schéma nepřímého chlazení spalin v kotli ve spalovacím prostoru na odpadní teplo 1 - odpady ke spálení, 2-stabilizační palivo, 1 - odpady ke spálení, 2 - stabilizační palivo, 3 - spalovací vzduch, 4 - spaliny od odpadů 3 spalovací vzduch, a stabilizačního paliva, 5-pára 4 - spaliny od odpadů a stabilizačního paliva, 5 - voda, pára nebo vzduch