9. Energetické využití odpadu Alternativní zdroje energie I. Ivo Jiříček Odpady Definice (zák. č. 185/2001 Sb.): Odpad je každá movitá věc, které se osoba zbavuje nebo má úmysl nebo povinnost se jí zbavit a přísluší do některé ze skupin odpadů uvedených v příloze 1 k tomuto zákonu. Osoba má povinnost zbavit se movité věci, (příslušející do některé ze skupin odpadů v příl. 1), jestliže ji nepoužívá k původnímu účelu a věc ohrožuje životní prostředí, nebo byla vyřazena na základě zvláštního právního předpisu. Komunální odpad je veškerý odpad vznikající činností fyzických osob nebo činností obce. 2 Nebezpečné vlastnosti odpadu Zák. 185 Sb., 2001 Výbušnost, Oxidační schopnost, Vysoká hořlavost Toxicita Schopnost uvolňovat nebezpečné látky do životního prostředí Produkce KO: 300 kg/rok na osobu vlastnosti se mění s ročním obdobím Komunální odpad Místa vzniku Provoz domácností a bydlení Úřady Technická a občanská vybavenost Rekreace, sport Údržba ulic, zeleně, hřbitovů atd. Skladba odpadu v různých zástavbách: sídlištní vesnická Papír, lepenka Plasty Sklo Kovy Bioodpad Zbytek Složení KO Papír, lepenka Sklo Směsné plasty PET lahve Nebezpečný podíl Minerální odpad Kovy Textil Biologický odpad Spalitelný odpad 3 4 Biologicky rozložitelný komunální odpad Směrnice EU 99/31/ES-Povinná redukce maximálního množství biologicky rozložitelných KO (dále jen BRKO") ukládaných na skládky tak, aby podíl této složky činil v roce 2010 nejvíce 75 % 2013 nejvíce 50 % 2020 nejvíce 35 % z celkového množství BRKO vzniklého v roce 1995 Jak snižovat množství BRO ukládané na skládky? a) vytvářet podmínky k oddělenému shromažďování jednotlivých druhů biologicky rozložitelných odpadů vznikajících v domácnostech, živnostech, průmyslu a úřadech, mimo směsný odpad; b) omezovat znečišťování biologicky rozložitelných odpadů jinými odpady zejména mající nebezpečné vlastnosti; c) zvyšovat materiálové využití druhů odpadů tvořících BRKO vytříděných z KO, zejména papíru a lepenky; NAŘÍZENÍ VLÁDY o Plánu odpadového hospodářství České republiky, 197/2003 Sb. 5 Odpadové hospodářství Klasifikace podle toku odpadu procesem: Přípravný Předcházení vzniku odpadu Omezování vzniku odpadu Nakládání s odpadem 1.Sběr 2.Přeprava 3.Skladování 4.Úprava a třídění Hlavní Materiálové využití (recyklace a kompostování) Energetické využití (spalování a výroba bioplynu) Konečná úprava Skládkování (chem. analýzy a podle tříd vyluhovatelnosti I., II. a III. ukládání na skládky inertního odpadu) 6 1
Zpracování odpadu Využití odpadů Papír Oddělené shromažďování Sklo a kovy Recyklace Bio Kompostování Kompost Nebezpečný odpad třídění Spalitelný odpad třídění Kovy k recyklaci PKO Zařízení EVO Bioplyn Nespalitelný odpad popel Teplo Elektřina Skládka 7 1. materiálové využití (vysoký stupeň recyklace prováděné občany) recyklace přinášecí a odnášecí systémy (papír, sklo, plasty) kompostování a jiné formy (např. anaerobní digesce) 2. energetické využití odpadů EVO 1. výroba tuhého alternativního paliva TAP 2. přímé spalování nadsítné frakce 3. zplyňování, pyrolýza, výroba bioplynu nebo jiné technologie % spalitelných odpadů energeticky využívaných: EU 25 % ČR 6 % (Praha, Liberec, Brno, Plzeň) 8 Tuhé alternativní palivo je palivo vyrobené z jiného než nebezpečného odpadu, určené k energetickému využití Výroba: Sítování a třídění nadsítné frakce Sušení Lisování Výhody oproti přímému spalování nadsítné frakce KO: možnost dlouhodobého skladování ( nižší vlhkost M<15 %) snadnější manipulace a doprava lisovaného TAP vyšší měrná hmotnost a výhřevnost (>15 MJ/kg) Jeho spalování je možné pouze v zařízeních středních a vyšších výkonů (od 200 kw výše). Přímé spalování nadsítné frakce Výhody Snížení objemu (až na 10 % V o ) a váhy (o 50 %) odpadu, redukce množství ukládaných zbytků Sterilnost a imobilizace škodlivin v tuhých zbytcích díky vysoké spalovací teplotě 850-1100 C. Využití škváry a upraveného popílku ke stavebním účelům Recyklace surovin ze škváry (Fe a neželezné kovy) a z filtračního koláče (Zn) z mokrého čištění spalin Redukce skleníkových plynů předcházením vzniku skládkového plynu http://www.odpadjeenergie.cz/, CEN/TS 15359, 357/2002 Sb. 10 Redukce skleníkových plynů na tunu odpadu při EVO výroba energie EVO vytěsněný vytěsněné celkové emise metan emise (uhlí) skleníkových plynů Spalovny předcházejí vzniku skládkového plynu (metanu), který má 21x vyšší potenciál globálního oteplování GWP než je CO 2. Zařízení pro EVO Nutno volit nejlepší dostupné technologie spaloven (Best Available Technologies BAT) pro splnění limit emisí znečišťujících látek (TZL, SOx, NOx, Diox) EVO je vhodné budovat v centru produkce KO, protože přeprava navyšuje náklady Přes kolísavé složení odpadu je výhřevnost KO je na úrovni hnědého uhlí (9-15 MJ kg -1 ), pouze při najíždění fungují na omezenou dobu podpůrné hořáky Zařízení EVO ČR Tok odpadu tun KO/rok Elektřina GWh/rok Nyní 2010 4 linky 300 60 1900 Teplo TJ/rok Potenciál 20 linek 2000 400 12600 11 12 2
Kritérium pro hodnocení spaloven jako zařízení pro EVO Směrnice o odpadech 98/2008/ES Zařízení EVO musí splnit požadavek minimální energetické účinnosti η e : Pro zařízení povolená po 31.12.2009 platí hodnota 0,65 E p - roční vyrobená energie ve formě tepla a/nebo elektřiny (GJ kg -1 ). Vypočítá se tak, že elektrická energie se násobí faktorem 2,6 a teplo vyrobené pro komerční využití se násobí faktorem 1,1. E f - roční energie přídavného paliva (ZP) přispívajících k výrobě páry (GJ kg -1 ). E i - roční energie pro vlastní spotřebu nepodílející se na výrobě páry (GJ kg -1 ). E w - roční energie odpadu v jeho výhřevnosti (GJ kg -1 ). EVO- emisní limity EL NV 354/2002 Sb. průměrné denní hodnoty Složka spalin Emisní limit EL Tuhé znečišťující látky TZL 10 mg/m 3 Nespálené uhlovodíky (TOC) 10 mg/m 3 Plynné sloučeniny Cl jako HCl 10mg/m 3 SO2 50 mg/m 3 NOx (NO2) 200 mg/m 3 CO 50 mg/m 3 PCDD+PCDF (dioxíny) 0,1 ng/m 3 Dále jsou stanoveny EL pro jednotlivé kovy Způsob dosažení emisních limitů u EVO: 1. Povinná dospalovací komora - Spaliny jsou vystaveny teplotě 850 C po dobu min. 2 s. Pokud obsah chloru v palivu >1 % pak teplotě 1100 C/2 s. Popeloviny: obsah C v TZL < 3 % nebo spalitelné látky < 5 % 2. Čištěním spalin (DeNOx, detzl, dediox, mokrá vypírka) 14 Persistentní organické polutanty POP Organohalogeny Tetrachlor Trichlorfuor Benzenhexachlorid metan metan (lindan) PCDD Polychlorované dibenzodioxíny 75 látek PCB-polychlorované bifenyly PCDF Polychlorované dibenzofurany 135 látek zdravotní účinky: karcinogeny 2,3,7,8 tetrachlor-p-dibenzodioxin teratogeny 2,3,7,8, tetrachlordibenzofuran PBDD, PBDF s bromem 15 Tvorba DE NOVO dioxínů Dospalovací komora je nedostatečná jako DeDiox opatření z důvodu nové syntézy dioxínu ve spalinách při nízkých teplotách HCl + ½ O 2 Cl 2 + H 2 O při T<500 C Cl 2 + O 2 + C x H y + čas@250-350 C PCDD/F Proto nutný dediox filtr spalin za tímto teplotním pásmem 16 Čištění spalin u EVO DeNOx-1 selektivní nekatalytická redukce SNCR pomocí nástřiku močoviny dediox Odstranění dioxínů: katalyzovaná oxidace pomocí Pt, Pd, Rh DeTZL -odstranění tuhých znečišťujících látek (popílku) elektrostatický odlučovák EO nízký odpor, provoz až do 350 C, EL 10 mg/m 3 splnitelný až při následném odstranění kyselých plynů tkaninový odlučovák TO - vyšší tlaková ztráta, do ~230 C (e-ptfe), EL 10 mg/m 3 splnitelný, reálně až 2-5 mg/m3 DeNOx-2-selektivní katalytická redukce SCR pomocí nástřiku 25 % amoniaku katalyzátory V 2 O 5 +WO 3 /TiO 2 na: filtrační tkanině (Liberec), keramice (Zevo, Praha), pracovní teplota katalyzátorů je 180-350 C, životnost ~5 let, účinnost redukce NO x až 90 % Surové spaliny Čisté spaliny DeDiox odstranění persistentních organických polutantů POP Kyselé plyny -HCl, HF a SO 3 a SO 2 Suché a polosuché metody (aktivní koks, NaHCO 3, Ca(OH) 2 ) injektáž před TO (nemocnice) Mokré metody-vypírka alkáliemi NaOH, Ca(OH) 2 Katalyzátor na vnitřním povrchu tkaniny z expandovaného PTFE (Liberec), < 230 C Katalyzátor na keramice (Zevo, Praha). Provoz při teplotách ~300 C 17 18 3
ZEVO, Praha Malešice Nové technologie: Zplyňování plasmou Zdroj: InEnTec,Oregon 1/ Zplyňování v proudu O 2 a H 2 O při teplotě 800 C Transformuje cca 80 % odpadu do plynu podobného syngasu. 2/ Plazmový oblouk v tepelně izolovaném kotli, kdy při teplotě >10000 C skoro všechen zbytek přechází na příslušné atomové prvky. Vzniklé plyny jsou čištěny a prodávány. 3/ Záchyt nebezpečných materiálů Ekotoxické kovy a perzistentní látky zachytává vana s roztaveným sklem na dně kotle. deno x 1, Dospalovací komora detzl dediox deno x 2 Neutralizace kyselých plynů Popílky ze spaloven nejsou považovány za nebezpečný odpad-obsah POP pro dioxiny <15 µg/kg 4/ Recyklace Sklo po zchlazení může být jako nevyluhovatelný materiál použit např. do silničních povrchů. Odděleně se zachytávají i kovy. 19 20 Zplyňování plasmou vs spalování plasma spalování Proces λ<0.8 λ >1.5, proto velké objemy spalin k čištění Teplota oblouk >10 000 C, kotel <1600 C < 1000 C Produkce energie na tunu odpadu 1000 kwh/t Vysoce účinný proces 450 kwh/t Emise CO 2 700 kg/mwh 1500 kg/mwh na 1 MWh e Produkce odpadů veškeré org. látky jsou převedeny na H 2 a CO, veškeré anorg. látky jsou vitrifikovány do inertní strusky Ložový popel, popílek a toxické spaliny musí být upravovány Skládkování Téměř bezodpadové Upravený popel a popílek Palivo Vyžaduje přívod el. energie a syngas ze zásobníku pro start, poté zcela soběstačný Během najíždění spaluje zemní plyn Podmínky pro přímé spalování nadsítné frakce Základní podmínky: Přítomnost spalovacího vzduchu v dostatečném množství (λ>0) Překročení zápalné teploty Tuhá paliva 220-600 C Kapalná paliva 210-600 C Plynná paliva 450-700 C Dostatečný vývin tepla nezbytný ke krytí ztrát tepla do okolí 21 22 Podmínka minimální výhřevnosti Zkušební metody: Vlhkost M: sušením min. 1 g vzorku při 105 C gravimetricky. Popel A: z min. 1 g vzorku o známé vlhkosti žíháním při 550 C gravimetricky (chemicky směs SiO 2, Al 2 O 3, CaO, oxidů Fe atd.). Spalitelné látky U (ztráta žíháním): stanoví se dopočtem do 100 % M+A+U = 100 % Podmínka samostatného hoření: Pod hranicí M 50 %, A 60 % a U 25 % (odpovídající minimální výhřevnosti q net,ar =5 MJ/kg) není odpad schopen samostatného hoření, protože teplo uvolněné hořlavinou je nedostatečné k odpaření vlhkosti a ohřátí popelovin na spalovací teplotu. Typické vlastnosti odpadů technické Organické látky Papír Plasty Vlhkost M 70 30 20 Spalitelné látky U 20 60 75 Popel A 5 10 4 q net,ar MJ/kg 1,5 10 29 q gr,ar MJ/kg 5 12 33 q gr,d MJ/kg 18 17 41 prvkové C H N organické látky 49 7 2 papír 39 5,5 0,2 plasty 82 14 1 kůže, dřevo, textil, guma 47 6 5 23 24 4
Podmínka minimální výhřevnosti 5 MJ/kg: A 60 % M 50 % U 25 % Trojný diagram odpadu W M Typické palivo z nadsítné frakce: U = V+FC = 35 % M = 35 % A = 30 % U+M+A=100 [%] Výpočty z průměrného sumárního vzorce Spalování odpadů kyslíkem: Produkce skleníkových plynů při anaerobní digesci (kvašení) v bioplynové stanici či samovolně při skládkování jako skládkový plyn: A Spalitelné látky U U Odpad je vhodný pro mokré procesy Odpad hoří bez přídavného paliva (anaerobní kvašení či aerobní kompostování) 25 VŠCHT Praha, Ústav energetiky EVO a produkce skleníkových plynů Příklad: Analýzou promáčeného sběrného papíru, chemicky jako celulóza -(C 6 H 10 O 5 ) n -, byly zjištěny tyto výsledky: vlhkost M=50 %, popel A=10 %, hořlavina U=40 % Určete: 1. Je papír schopen samostatného hoření ve spalovně? 2. Hmotnost skleníkových plynů při spalování m CO2min a při samovolném anaerobním rozkladu na skládce m CO2min +m CH4min a srovnejte. 3. Který z obou procesů přispívá k vyššímu globálního oteplení GWP? 5