STUDIE ZAŘÍZENÍ NA PYROLYTICKÝ ROZKLAD ODPADŮ Zadavatel: ČR - Ministerstvo životního prostředí odbor fondů EU Vršovická 65 100 10 Praha 10 Česká republika Zhotovitel: FITE a.s. Výstavní 2224/8 709 51 Ostrava - Mar. Hory VŠB Technická univerzita Fakulta strojní 17. listopadu 15/2172 708 33 Ostrava Poruba a Ostrava, květen 2010
STUDIE ZAŘÍZENÍ NA PYROLYTICKÝ ROZKLAD ODPADŮ ČÁST II. SHRNUTÍ ZKUŠENOSTÍ Z PROVOZU PILOTNÍ PYROLÝZNÍ JEDNOTKY PYROMATIK A PODOBNÝCH ZAŘÍZENÍ
- 3/3 -
Obsah Strana 1. EKONOMIKA PROCESU... 5 2. PROVEDENÉ TESTY... 8 3. SCHÉMA - TECHNICKÝ VÝKRES PYROMATICU... 12 4. UPLATNĚNÍ PRODUKTŮ PYROLÝZY (PYROLÝZNÍ OLEJ, VOSKY, KOKS, DEHET, SAZE A VYSOCE OXYGENOVANÝ PYROLÝZNÍ OLEJ) A JEJICH DALŠÍ ÚPRAVY PŘED MOŽNÝM POUŽITÍM (NAPŘ. DRUHÝ STUPEŇ PYROLÝZY)... 14 5. SHRNUTÍ, UPLATNITELNOST V PRAXI... 16-4/4 -
1. Ekonomika procesu Finanční rozpočet provozu zařízení je založen na několika aspektech: a) cena zařízení (pořizovací náklady) se odvíjí od výkonu zařízení b) provozní náklady se odvíjí od výkonu zařízení a skládají se z nákladů na mzdy, služby a údržbu zařízení c) Předpokládaná (min. garantovaná) elektrická účinnost zařízení je 36 % d) Využitelnost tepelné energie je stanovena na 51 % e) Tržby za produkovanou el. energii jsou provedeny dle výpočtů za výše uvedených parametrů a při stanovených výkupních cenách 0,86 Kč/kWh výkupní cena el. en. z pyrolýzy, 24hod odběr, 7000 Nhod 3 Kč/kWh výkupní cena skládkového bioplynu 6 Kč/kWh výkupní cena el. energie vyrobené z větru [tis. Kč] 12 Kč/kWh výkupní cena el. energie vyrobené z fotovoltaických článků [tis. Kč] f) Tržby za produkovanou tepelnou energii jsou provedeny při stanovení ceny 140 Kč/GJ (stanoveno dle plánovaného zájmu jedná se o vedlejší produkt) g) Cena za zpracované odpady 300 Kč/t h) Pro výpočet byly použity standardizované ekonomické výpočty a výpočty pro stanovování účinnosti Náklady na pyrolýzní jednotku bez drtící linky (tis. Kč): Vstupní surovina (zpracování vstupní suroviny v t/hod.) 0,2 0,5 1 2 3 Pořizovací náklady (bez DPH) v tis. Kč 35 000 70 000 126 000 224 000 315 000 Provozní náklady za rok celkem v tis. Kč 2 720 2 820 3 156 3 930 6 420 z toho: - mzdové náklady 2 400 2 400 2 400 2 880 4 320 - služby 120 120 216 300 600 - údržba 200 300 540 750 1 500 Výstup kwh/hod (účinnost 36%) 321,30 803,26 1606,51 3213,03 4819,54 Tepelný vystup v [GJ] (účinnost 51%) 1,64 4,09 8,19 16,38 24,57 Tržby za elektrickou energii (v Kč) - srovnání výkupních cen Vstupní surovina (zpracování vstupní suroviny v t/hod.) 0,2 0,5 1 2 3 Tržby za el. energii u pyrolýzy při 7000 Nhod - výkup 0,86 Kč/kWh (24hod odběr) 1 934 4 836 9 671 19 342 29 014 [tis. Kč] Tržby za el. energii při výkupní ceně 3 Kč/kWh výkupní cena skládkového 4 200 10 500 21 000 42 000 63 000 bioplynu [tis. Kč] Tržby za el. energii při výkupní ceně 6 Kč/kWh výkupní cena el. energie 8 400 21 000 42 000 84 000 126 000 vyrobené z větru [tis. Kč] Tržby za el. energii při výkupní ceně 12 Kč/kWh výkupní cena el. energie 16 800 42 000 84 000 168 000 252 000 vyrobené z fotovoltaických článků [tis. Kč] - 5/5 -
Vstupní surovina (zpracování vstupní suroviny v [t/hod.] 0,2 0,5 1 2 3 Tržby za teplo při 7000 Nhod - výkupní cena 140 Kč/GJ [tis. Kč] 1605 4011 8026 16052 24079 Tržby za odběr odpadů - výkupní cena 300 Kč/t [tis. Kč] 420 1050 2100 4200 6300 Tržby za el. energii, teplo a odběr odpadů celkem (Kč) - srovnání cen Tržby při výkupní ceně za el. energii 0,86 Kč/kWh, teplo a odpady celkem [tis. Kč] Tržby při výkupní ceně za el. energii 3 Kč/kWh, teplo a odpady celkem [tis. Kč] Tržby při výkupní ceně za el. energii 6 Kč/kWh, teplo a odpady celkem [tis. Kč] Tržby při výkupní ceně za el. energii 12 Kč/kWh, teplo a odpady celkem [tis. Kč] 3 959 466 6 225 240 10 425 240 18 825 240 9 896 961 15 561 336 26 061 336 47 061 336 19 797 390 31 126 200 52 126 200 94 126 200 39 594 841 62 252 400 104 252 400 188 252 400 59 392 231 93 378 600 156 378 600 282 378 600 Návratnost při tržbách pouze za el. energii (v letech) Návratnost při ceně 0,86 Kč/kWh [roky] 18,10 14,48 13,03 11,58 10,86 Návratnost při ceně 3 Kč/kWh - srovnatelná investice [roky] 8,33 6,67 6,00 5,33 5,00 Návratnost při ceně 6 Kč/kWh - srovnatelná investice [roky] 4,17 3,33 3,00 2,67 2,50 Návratnost při ceně 12 Kč/kWh - srovnatelná investice [roky] 2,08 1,67 1,50 1,33 1,25 Návratnost při tržbách za el. energii, teplo a odpady celkem (v letech) Cena 0,86 Kč/kWh [roky] 8,84 7,07 6,36 5,66 5,30 Cena 3 Kč/kWh [roky] 5,62 4,50 4,05 3,60 3,37 Cena 6 Kč/kWh [roky] 3,36 2,69 2,42 2,15 2,01 Cena 12 Kč/kWh [roky] 1,86 1,49 1,34 1,19 1,12 Graf tržeb za el. ene. dle druhu výkupních cen v závislosti na výkonu tržby [Kč] 300 000 000 250 000 000 200 000 000 150 000 000 100 000 000 50 000 000 0 0,2 0,5 1 2 3 Výkon [t/hod] Tržby ve výkupních cenách u pyrolýzy Tržby ve výkupních cenách za bioplyn Tržby ve výkupních cenách za větrmou energii Tržby ve výkupních cenách za fotovoltaiku - 6/6 -
doba návratnosti [roky] 20 15 10 5 0 Graf návratnosti při tržbách pouze za el. energii (v letech) v závislosti na výši výkupních cen (Kč/kWh) 0,2 0,5 1 2 3 Výkon [t/hod] Výkupní cena - Pyrolýza Výkupní cena - Bioplyn Výkupní cena - Větrné elektrárny Výkupní cena - Fotovoltaika tržby [Kč] 300 000 000 250 000 000 200 000 000 150 000 000 100 000 000 50 000 000 Graf celkových tržeb dle druhu výkupních cen (v Kč) v závislosti na výkonu (v t/hod.) 0 0,2 0,5 1 2 3 Výkon [t/hod] Celkové tržby ve výkupních cenách u pyrolýzy Celkové tržby při výkupních cenách za bioplyn Celkové tržby při výkupních cenách za větrnou energii Celkové tržby při výkupních cenách za fotovoltaiku doba návratnosti [roky] 10 8 6 4 2 0 Graf návratnosti při celkových tržbách (v letech) v závislosti na výši výkupních cen (Kč/kWh) 0,2 0,5 1 2 3 Výkon [t/hod] Výkupní cena - Pyrolýza Výkupní cena - Bioplyn Výkupní cena - Větrné elektrárny Výkupní cena - Fotovoltaika Výsledky lze ovlivnit variací vstupů, zejména srovnáním, resp. menším znevýhodněním, vykupované elektrické energie z procesu zpracování odpadů. V případě termického zpracování se jedná o poměrně kontinuální dodávku elektrické energie. - 7/7 -
2. Provedené testy Na jednotce PYROMATIC byly z hlediska pyrolýzního procesu testovány převážně kaučukovité materiály (plasty i směsné) a to odpadní pneumatiky. Dalšími testovanými materiály z hlediska vhodnosti materiálů pro pyrolýzní systém byly plasty, hnědé a černé uhlí, nemocniční odpad a tříděný KO. Testovacím procesem však prošly i znehodnocené platební karty a ještě v roce 2010 budou minimálně testovány čistírenské kaly. Pneumatiky mají pro pyrolýzní zpracování následující výhody: 1. Množství odpadních pneumatik s nízkou životností každoročně stoupá. 2. Pneumatiky jsou biologicky nerozložitelné, netavitelné, nerozpustné. 3. Hromadění tohoto druhu odpadu způsobuje značný enviromentální problém. 4. Největší množství pneumatik je uloženo na skládky, pouze 20 % z celkového množství je recyklováno různými technikami (např. jako palivo v cementářských pecích, jako aditiva do asfaltů používaných na vozovky, ve spalovnách nebo spolu-spalováním s uhlím, surovina v gumárenském průmyslu). 5. Pneumatiky mají podobné chemické složení. 6. Pro pyrolýzní zkoušky snadno dostupný materiál. Tato měření poskytla poznatky z hlediska vhodnosti materiálů pro pyrolýzní zkoušky, byla zjištěna optimální granulometrie u jednotlivých druhů odpadů v závislosti na rychlosti a otáčkách dávkovacího šneku. Obecně výsledky hmotnostních bilancí, potvrdili předpoklad, že se vzrůstající teplotou dochází k vyššímu vývinu plynu. Vzájemný poměr výstupních produktů nezávisí pouze na vstupních podmínkách (organická/anorganická složka), ale závisí převážně na teplotě, době zdržení, rychlosti dávkování materiálu. Vzhledem k velké škále a různorodosti odpadních materiálu musí být pro pyrolýzní proces zvoleny optimální podmínky, tak aby směřovaly v konečném stádiu k nejlepšímu využití produktů. Důležitá je optimalizace provozních podmínek. Hlavní pozornost budeme i nadále směřovat k využití a uplatnění výstupních produktů při výrobě elektrické energie a tepla nebo uplatnění v jiných technologiích. Výpočtem bylo stanoveno, že pro maximální tepelný výkon hořáků 200 kw je nutno dodat 2,15.10-3 m 3 N.s -1 propanu nebo 5,58.10-3 m 3 N.s -1 zemního plynu. Vzhledem k požadovaným teplotám spalin v rozmezí od 600 do 800 C je třeba dodávat spalovací vzduch pro hořáky s přebytkem cca 3,25 až 4,50 v případě obou plynů. Objemový tok spalovacího vzduchu je, za přebytku 4 a max. výkonu hořáků 200 kw, 0,2105 m 3 N.s -1 při spalování propanu a 0,2182 m 3 N.s -1 při spalování zemního plynu. Z rozborů, provedených analýz a realizovaných testů byly získány obecně platné informace o složení a procentuálním zastoupení pyrolýzního plynu a pyrolýzní kapaliny. Kapalina Uhlík Plyn Rychlá pyrolýza Střední rozsah teplot, krátká doba setrvání 75 % 12 % 13 % Karbonizace Nízké teploty, dlouhá doba zdržení 30 % 35 % 35 % Zplyňování Vysoká teplota, dlouhá doba zdržení 5 % 10 % 85 % - 8/8 -
Podmínky pro rychlou pyrolýzu: vysoká teplota ohřevu a rychlý přestup tepla, což vyžaduje co nejjemnější granulometrii vstupního materiálu (< 2 mm) přesně kontrolovaná teplota reakce okolo 500 o C a teplota plynné fáze v rozmezí 400 450 o C krátký rezidenční čas pro páry méně než 2 sec rychlé ochlazení pyrolyzních plynů za účelem přípravy oleje. Na následujícím obrázku je znázorněn koeficient nabohacení uhlíkem v polokoksu, který byl vypočten jako poměr obsahu uhlíku v polokoksu a ve vstupním materiálu v sušině. Koeficient obohacení u peletek (parametry příloha) je výrazně vyšší, z elementární analýzy pryže je zřejmé, že uhlí se podílí 86.6 % na složení hořlaviny. Po vyhodnocení průběhu pyrolyzní zkoušky podle normy a shody s literárními údaji o výtěžnosti jednotlivých frakcí, byl proveden poloprovozní pokus v laboratořích VUHU Most s pyrolýzou pneumatik nadrcených pod 5 mm za účel další charakterizace chemického složení kondenzátu a vlastností pyrolyzního koksu. Je známo, že povrchové vlastnosti pyrolyzního koksu se stanovují metodou ESCA nebo XPS (X-ray photoelectron spectroscopy). Vzrůstající teplota snižuje množství uhlovodíků adsorbovaných na povrchu sazí, což je prekurzor vzniku pyrolyzního uhlíku, dochází ke snížení množství pyrolytického uhlíku se vzrůstající teplotou pyrolýzy. Základním rozdílem mezi komerčně prodávanými sazemi a pyrolyzními sazemi (pyrolytic carbon black) je obsah anorganické složky (ZnO, S) ale také SiO 2 a Al 2 O 3. Se vzrůstající teplotou pyrolýzy dochází k reakci mezi ZnO a S za vzniku ZnS, který tvoří individuální částice s hustotou, která je vyšší než pyrolyzního uhlíku a částice lze dále separovat. I v našem případě byl obsah zinku v pyrolyzním koksu stanovený metodou RTG-fluorescence velmi vysoký až 7.6 % ZnO, do 1 % se vyskytovalo Ba, Cr, Fe apod. Charakter pyrolyzního koksu s pórovitou strukturou je zřejmý z následující fotodokumentace. Povrch a struktura pyrolyzního koksu z pyrolýzy pneumatik - 9/9 -
Trochu jiný průběh pyrolýzy a charakter pyrolyzního koksu se očekával při pyrolýze peletek JIP. Bellais M (2007) uvádí následující parametry, které ovlivňují rozhodujícím způsobem výnos pyrolyzního koksu: Teplota. Při překročení určité teploty dochází k e snížení výtěžnosti. Pro dřevo je to 460 o C. Rychlost ohřevu. Vysoká rychlost snížení výnosu lze ji určit experimentálně z TGA Doba setrvání VOC v pyrolyzní komoře. Při ochlazení těkavých látek na pokojovou teplotu dochází ke vzniku plynu a kapaliny. Kondenzát obsahuje vodu, metanol, kyselinu octovou, aceton a dehet. V dehtu bylo identifikováno 230 organických látek. Tak je tím větší, čím déle je plyn v pyrolyzní komoře. Reaktivita uhlíkatého zbytku. Je ovlivněna teplotou, při které dochází k transformaci struktury na planární vsrtevnatou uhlíkatou formu. U břízy bylo určeno, že pro vznik optimální struktury je nutné zajistit 8 minut při teplotě 690 o C. Zajímavě se jeví i testy provedené s platebními kartami a plasty - 10/10 -
Tabulka Příklad - Anorganické složky při pyrolýze plastů měření NO x [ppm] CO O 2 CO 2 H 2 1 25 19.3 2.51 24.2 10.9 2 37 19.7 1.21 22.0 21.1 3 46 21.1 1.27 23.9 11.7 4 46 20.8 1.11 23.7 11.6 průměr 395 20.2 1.53 23.5 13.8 Tabulka Příklad - Organické složky při pyrolýze plastů měření CH 4 C 2 H 6 C 2 H 4 C 3 H 8 C 3 H 6 C 4 H 10 1 13.6 2.16 9.42 0.14 5.29 0.09 2 10.5 1.71 6.08 0.12 3.38 0.06 3 14.9 3.32 9.12 0.28 7.40 0.15 4 16.4 4.50 7.80 0.30 9.30 0.25 průměr 13.8 2.92 8.11 0.21 6.34 0.14-11/11 -
Shrnutí V rámci provedených testů se jednoznačně ukázalo, že vybrané druhy odpadů jsou vhodné k termickému zpracování pyrolýzní, resp. zplyňovací cestou. Je nutno pozornost soustředit na granulometrickou úpravu vstupního materiálu (zde zejména s ohledem na šnekový posun suroviny), optimalizaci vsázky z hlediska vývinu plynů v jednotlivých částech a speciální pozornost je potřeba věnovat způsobu chlazení vznikajícího plynu na základě dalšího procesu využití. 3. Schéma - technický výkres Pyromaticu Na následujícím schématu je zachycena přeměna vloženého vstupního materiálu, resp. změna fází a výstupní frakce: - 12/12 -
- 13/13 -
4. Uplatnění produktů pyrolýzy (pyrolýzní olej, vosky, koks, dehet, saze a vysoce oxygenovaný pyrolýzní olej) a jejich další úpravy před možným použitím (např. druhý stupeň pyrolýzy). Všechny výstupní produkty z pyrolýzní jednotky, tedy produkty z prvního stupně, budou následně využity v druhém stupni termického rozkladu, kterým je konvektor makromolekulární destrukce, čili zplyňovací zařízení, kde dojde při vysoké teplotě (cca nad 1000 C) k rozložení složitých řetězců - 14/14 -
uhlovodíků, které jsou obsaženy v kapalné a plynné pyrolýzní fázi na jednoduché složky, kterými jsou H 2 (vodík) a CO (oxid uhelnatý) a vzniká energoplyn. Následně také odpadají úpravy vznikajících pyrolyzních složek, které vstupují do konvektoru makromolekulární destrukce (zplyňovače). Vzniklý energoplyn je následně čištěn od tuhých znečišťujících látek, odsiřován a v případě, že se rozkládají termicky materiály, které obsahují chlór, je v procesu zařazeno zařízení, jenž chlór odloučí. Tento energoplyn lze skladovat v plynojemech a použít jej pro kogenerační jednotky či plynové kotle na výtápění. Využití vedlejších produktů: - Plyn využití zejména na elektrickou energii, využitím motoru, případně turbíny - kapalná frakce využití zejména v chemickém průmyslu, při speciálních druzích odpadů, lze kapalnou frakci využít jako palivo do motorů - pevná frakce využití zejména jako sorbenty, případně jako palivo do spalovacích procesů Množství vznikajících produktů je závislé zejména na: - zvolené teplotě procesu (se změnou teploty se mění podíl jednotlivých frakcí pevná, kapalná, plynná) - zvoleném druhu vstupní suroviny (podíl organického uhlíku hraje dominantní roli, včetně podílu příměsí a granulometrie) - způsobu využití produktů (zda je dominantní využití na tepelnou a elektrickou energie, nebo např. chemický průmysl) - 15/15 -
5. Shrnutí, uplatnitelnost v praxi Základní myšlenou je, že zplyňování produkuje sedmi násobně méně objemových jednotek procesního plynu. Z toho plyne, že je potřeba čistit menší množství plynu a vzniká menší požadavek na objem čistících zařízení. Mezi další neopominutelnou výhodu využití pyrolýzy a zplyňování patří možnost přímé přeměny plynu na elektrickou energii, bez mezikroku spaliny a teplo. Tento fakt láká. Pro jaké obce, města či podnikatelské subjekty by mohlo být zařízení efektivní? Pro využití pyrolýzy, resp. zplyňovacích procesů je potřeba vycházet pro daný subjekt: - z dostatku vstupní suroviny v čase a místě - z dostatečného odběru tepelné energie (zejména s ohledem na finanční návratnost investice) - menší jednotky se mohou dobře uplatnit zejména v místech, kde je potřeba získat dodatečný zdroj elektrické energie, případně jako zdroj záložní - u větších jednotek je bezpodmínečně nutno zajistit ekonomiku provozu a nepřetržitý provoz, investice do čištění procesních plynů však vychází na 1 kwh vyrobené energie levněji Pro všechny jednotky je nutno zajistit napojení na rozvod elektrické a pokud možno i tepelné energie, a mít zajištěný odbyt vedlejších produktů! Doporučené suroviny - využití směsného komunálního odpadu lze v našich podmínkách obtížně doporučit - pro zplyňovací účely jsou vhodné jen vybrané frakce TKO, resp. směsný KO jen s předem definovanými vlastnostmi - prioritně lze využívat kaučukové materiály a materiály s vysokým podílem organického uhlíku, plasty. - 16/16 -
Příloha příklad - Materiály používané k výrobě pneumatik: Pneumatiky mají podobné chemické složení, jsou tvořeny: syntetická guma (27%), přírodní guma (14%), síra a složky obsahující síru, křemík, fenolické pryskyřice, oleje: aromatické, naftenické a parafinické, vlákna: polyester, nylon, vosky, pigmenty: ZnO, TiO 2, saze (28%), mastné kyseliny, inertní materiál, ocelové výztuže. 16% (vlákna + plnivo, akcelerátory a antioxidanty). Tabulka č.1 Chemické složení pneumatik Parametr Obsah (%) Parametr Obsah (%) Vlhkost 0.62 ZnO 1.52 Anorganická složka 4.78 CaO 0.378 Uhlík 83.78 Fe2O3 0.321 Vodík 7.09 Cr 0.0097 Dusík 0.24 Cd 0.0006 Síra 1.23 Cl 0.149 Kyslík 2.17 F 0.001 Celkem: 100 Problémový parametr chlor: 2 až 5 x vyšší obsahy než se vyskytují v uhlí. Ewall M., Nicholson K. (2007): Hazardous Waste and tire incineration in the U.S. and Mexican cement undustries. Environmental and Helad problems. www.energyjustice.net/cementkilns Pyrolýza pneumatik - význam Při pyrolýze vzniká pevná, kapalná a plynná fáze, vzájemný poměr fází nezávisí pouze na vstupních podmínkách (organická složka/anorganická) ale závisí na teplotě, době zdržení a nosném plynu. Vzhledem k velké proměnlivosti parametrů musí být celý proces pyrolýzy navržen tak, aby vycházel z konečného využití pyrolyzních produktů. Uhlíkatý zbytek z pyrolýzy může reprezentovat 33 68 % (Harder M.K. et al. 2006). Při pyrolýze pneumatik vznikají 3 fáze (koks + pyrolytický olej + plyn), z nichž plynná fáze má bez použití katalyzátoru nejnižší výtěžnost. Lehká část pyrolytických olejů obsahuje di-limonen, který je pro trh zajímavý (Roy C, et al. 1999). Naftalenová frakce s bodem varu < 160 o C se využívá jako vysokooktanová složka pro benzín. Destilát s bodem varu < 204 o C má mechanické a lubrikační vlastnosti podobné jako komerčně prodávané aromatické oleje Dutrex R 729. Pyrolytický uhlík obsahuje vysoké obsahy anorganických složek (ZnO a S), existují problémy s jeho dalším využitím jako technického sorbentu. Složení závisí na podmínkách pyrolýzy. Chemická úprava (loužení v kyselém prostředí) zlepšuje kvalitu pyrolytického uhlíku. Příklad Energetické parametry peletky (směs biohmoty a odpadů z papírenského průmyslu) Voda celková % 10.68 Vzorek v dodaném stavu Vzorek bezvodý Hořlavina vzorku Popel % 12.25 13.71 Hořlavina % 77.07 86.29 100.0 Spalné teplo kj/kg 13971 15642 18127 Výhřevnost kj/kg 12664 14453 16750 Vodík % 5.15 5.767 6.68 Uhlík % 36.22 40.546 46.99 Dusík % 0.62 0.699 0.81 Kyslík % 35.08 39.28 45.52 Síra % <0.1 < 0.10 <0.10-17/17 -
Evropská unie Spolufinancováno z Prioritní osy 8 Technická pomoc financována z fondu soudržnosti Ministerstvo životního prostředí Státní fond životního prostředí České republiky www.opzp.cz Zelená linka 800 260 500 dotazy@sfzp.cz - 18/18 -