1-2 / 2002 - strona startowa

PERSPEKTYWY ENERGETYKI I EKOLOGII

Marek Pilawski, Zbigniew Pabjan, Michał Ziętek

Streszczenie: W temperaturze 1 570 ⁰C cała materia organiczna występuje w postaci paroatomowych prostych związków chemicznych, zawierających głównie cząsteczki dwutlenku węgla i wodoru, zaś elementy ceramiczne występują w stanie stopionym. W tych warunkach recykling odpadów przebiega prawie bezodpadowo. W pracy podano konstrukcję reaktora ciekłometalicznego zapewniającego taką temperaturę pracy oraz opisano jego działanie w warunkach zgazowania odpadów z udziałem tlenu z wody ("spalanie w wodzie"). W pracy wykazano także, że reaktor ciekłometaliczny jest najtańszym urządzeniem likwidacji wszelkich odpadów. Po absorpcji CO₂ z gazów poreakcyjnych i związania go do węglanów typu X₂Co₃ gazowym produktem reakcji jest tylko wodór, który spalany w ogniwie paliwowym jest źródłem energii elektrycznej. Instalacji nie wymaga komina. Reaktor wysokotemperaturowy jest podstawowym urządzeniem Zakładu Utylizacji Końcowej Odpadów oraz Zintegrowanych Systemów Ekologicznych.

1. Wprowadzenie

Poszukując efektywnych i ekologicznych technologii termicznej transformacji odpadów organicznych do postaci paliw przyjęto założenie, że powinna być to technologia uniwersalna, w której:

• temperatura procesu jest wyższa niż 850 ⁰C po to, aby dogłębnie przeprowadzić proces odgazowania i zgazowania materii organicznej odpadowej (duża grupa odpadów przemysłowych i prawie w całości odpady komunalne - poza gruzem, szkłem zgazowania materii organicznej odpadowej (duża grupa odpadów przemysłowych i prawie w całości odpady komunalne - poza gruzem, szkłem i metalami),

• temperatura procesu jest wyższa niż 850 ⁰C po to, aby móc przeprowadzić proces zgazowania węgla organicznego przy użyciu pary wodnej, czyli wytwarzać gaz wodny CO + H₂ wzbogacający energetycznie gaz syntezowy,

• temperatura procesu jest wyższa niż 1200 ⁰C po to, aby rozłożyć dioksyny i furany powstające w procesie termicznej obróbki odpadów,

• temperatura procesu jest wyższa niż 1470 ⁰C po to, aby ostatecznie rozłożyć trudno rozkładalne węglowodorowe związki o strukturze cyklicznej,

• temperatura procesu jest niższa niż 1600 ⁰C po to, aby uniemożliwić powstawanie węglika krzemu SiC niszczącego ceramiczną wymurówkę reaktora termicznego.

Warunki te spełnia reaktor ze złożem ciekłometalicznym w postaci ciekłego żelaza utrzymującego w przestrzeni reakcyjnej temperaturę 1500 ⁰C. Reaktor Ciekło - Metaliczny (reaktor RCM) to typowy piec indukcyjny przeznaczony do wytopu metali. W reaktorze tym przestrzeń pomiędzy powierzchnią stopionego metalu a kopułą pokrywy pieca tworzy przestrzeń reakcyjną, w której natężeniem lub częstotliwością prądów wirowych nastawia się pożądaną temperaturę procesu. Do przestrzeni reakcyjnej wprowadza się odpady.

Reaktor RCM wytwarza wodór ekologiczne (i odnawialne) paliwo przyszłości.

2. Uzasadnienie wyboru technologii

• Możliwość uzyskania pożądanej temperatury procesu 1500 ⁰C

• Możliwość uzupełniania energii z zewnątrz potrzebnej do przeprowadzenia procesu termicznej transformacji odpadów do postaci paliw

• Możliwość regulacji temperatury procesu w szerokim przedziale temperatur niezależnie od wprowadzanych czynników utleniających (powietrze, tlen, para wodna, mieszanki powyższych)

• Dostęp do sprawdzonych technologii hutniczych i elektrotermicznych

• Niska prężność par żelaza w temperaturze procesu niewiele wyższej od temperatury jego topnienia

• Prostota konstrukcji, brak części ruchomych

• Możliwość rozkładu odpadowej materii organicznej (węglowodorów) do strumienia pierwotnych substancji prostych: tlenku węgla CO i wodoru H₂ należących do pierwotnych paliw gazowych paliw. W przyjętej temperaturze procesu nie istnieją złożone toksyczne związki chemiczne. Dla przykładu można podać, że skład pierwiastkowy organicznych odpadów komunalnych: 55% C, 38% O, 6% H2 i tylko 1% to tzw. inne (S, N, Cl)

• Możliwość dowolnego kształtowania środowiska reakcji w przestrzeni reakcyjnej, w której można wytwarzać próżnię, lub można wprowadzać powietrze, tlen, obojętny argon, a w szczególności parę wodną jako utleniacz pozbawiony azotu

• W temperaturze procesu występuje płynna szlaka zawierająca części ceramiczne, która poprzez szokowe schłodzenie może zostać zeszklona, tworząc granulat bazaltopodobny, który nie jest już odpadem, tylko produktem.

3. Opis działania reaktora RCM

Reaktor składa się z metalowego lub ceramicznego zbiornika 1 typu "kadź" wyłożonego od wewnętrznej strony wymurówką ogniotrwałą 2, przy czym pomiędzy tą wymurówką 2 a wewnętrzną ścianą zbiornika 1 znajduje się materiał termoizolacyjny 3 chroniący zewnętrzne ściany zbiornika przed ogrzaniem do wysokich temperatur. Wnętrze zbiornika 1 wypełnione jest w części cieczą 4, (najkorzystniej stosować stopione żelazo). Ogrzewane jest ono elektrycznie (rys.1). (Palniki zaznaczone na rysunku jedynie symbolizują kierunek przepływu energii). Temperaturę cieczy mierzy się za pomocą czujnika temperatury 7 a temperaturę przestrzeni reakcyjnej czujnika 11. Ponad powierzchnią cieczy znajduje się przestrzeń reakcyjna 8 ograniczona od góry ruchomą śluzą dolną 9 i umieszczoną ponad nią śluzą górną 10. Ponad śluzą górną 10 zbiornika 1 znajduje się lej zasypowy 12, do którego wnętrza 13 wprowadza się materię termicznie przekształconą 14, najczęściej odpady, które po uchyleniu śluzy górnej 10 opadają na powierzchnię ruchomej dolnej śluzy 9, po czym górna śluza się zamyka. Po uszczelnieniu przestrzeni reakcyjnej 8 uchyla się dolna ruchoma śluza 9 przemieszczając tym samym odpady zgromadzone w przestrzeni międzyśluzowej 15 do przestrzeni reakcyjnej 8. Opadając uzyskują bezpośredni kontakt z cieczą 4, której stała i pożądana temperatura utrzymywana jest poprzez działanie prądów wirowych i poprzez to, że pojemność cieplna cieczy 4 jest wielokrotnie większa od pojemności cieplnej nadawy materii odpadowej 14. Proces termicznego przekształcania materii następuje więc w całej objętości przekształcanej materii 14 i w jednakowej temperaturze w warunkach praktycznie beztlenowych. Beztlenowy proces termicznej transformacji materii 14 prowadzony dla odpadów, zwłaszcza odpadów komunalnych, też niektórych przemysłowych i niebezpiecznych, prowadzi do powstania gazów pirolitycznych (pirolizy) z części organicznej (odpady biologiczne, tworzywa chemiczne) oraz węgla pierwiastkowego i materiałów ceramicznych. Tworzą one w temperaturach około 1500 ⁰C płynną szlakę 15, która po przekroczeniu określonego poziomu przelewem 16 odprowadzana jest do urządzenia 17. Tam poddana szokowemu schłodzeniu w wodzie tworzy granulat bazaltopodobny, który nie jest już odpadem, a który należy do grupy kruszyw budowlanych i kruszyw dla drogownictwa.

Gaz pirolityczny (palny), wypełniając przestrzeń reakcyjną 8, przedostaje się do otworów 18 i 19 zbiornika 1, przy czym przedostając się do otworu 18 wnika do awaryjnego komina zrzutowego 20. Ten otwiera się wypuszczając gazy do atmosfery tylko wtedy , kiedy ciśnienie gazów w przestrzeni reakcyjnej 8 wzrośnie ponad ustalony poziom, np. wtedy, kiedy gazy pirolityczne w przestrzeni reakcyjnej 8 uległyby niekontrolowanemu zapaleniu. Normalnie gazy otworem 19 wnikają do rurociągu 21, w którym strumieniem 22 kierowane są do palników kotła 23. Stamtąd, po oddaniu energii kierowane są do stacji oczyszczania spalin 24, by następnie te spaliny wentylatorem wyciągowym skierować do komina 26. Część pirolitycznych gazów palnych strumieniem 27 przy pomocy wentylatora 28 dostarczana jest do palnika pomocniczego 29, który ma swój udział w wytwarzaniu strumienia ciepła 6.

W przypadku pirolizy beztlenowej prowadzonej dla dużej grupy odpadów przedstawiony układ jest układem autoenergetycznym, tzn. ciepło unoszone przez spalany gaz pirolityczny pokrywa potrzeby ciepła procesowego i straty energii układu. Aby otrzymać naddatek energii ponad ciepło procesowe i móc produkować energię cieplną do sprzedaży lub innych celów technologicznych, należy spalić węgiel pierwiastkowy, który odkłada się w żużlu lub płynnej szlace 15. Spalenia tego węgla można dokonać w różny sposób, a służą do tego dwa komplety dysz 30 i 31 umieszczone na obwodzie zbiornika 1 ponad lustrem cieczy 4. Komplet wielu dysz 30 ma swoje osie skierowane na lustro cieczy 4, na punkty położone w przybliżeniu w połowie odległości pomiędzy środkiem geometrycznym lustra cieczy 4, a obwodem lustra cieczy 4. Komplet tych dysz służy do wtłaczania powietrza lub tlenu potrzebnego do zgazowania węgla pierwiastkowego. Proces zgazowania węgla poprzez utlenianie jest procesem egzotermicznym i w przypadku utlenienia węgla do postaci dwutlenku węgla (spalanie) powoduje wzrost temperatury w przestrzeni reakcyjnej 8 i wzrost temperatury gazów, od których odbierane jest ciepło w kotle 23, w przypadku utleniania węgla do postaci tlenku węgla (zgazowanie, spalanie w niedomiarze tlenu) proces ten powoduje wzrost temperatury w przestrzeni reakcyjnej 8 i wzrost temperatury w kotle 23, w którym tlenek węgla dopala się do dwutlenku węgla. W przypadku całkowitego utlenienia węgla pierwiastkowego zawartego w żużlu lub szlace 15, żużel ten lub szlaka zawierają tylko części mineralne i ewentualnie inne metaliczne zawarte w przekształconej materii.

Drugi komplet wielu dysz 31 ma swoje osie również skierowane na lustro cieczy 4, na punkty położone w przybliżeniu w połowie odległości pomiędzy środkiem geometrycznym lustra cieczy 4, a obwodzie lustra cieczy 4. Komplet tych dysz służy do wtłaczania wody lub pary wodnej potrzebnej do zgazowania węgla pierwiastkowego. W tym przypadku woda lub para wodna służą jako nośniki tlenu.

Para wodna w temperaturach ponad 850 ⁰C w obecności węgla rozkłada się na tlen i wodór, przy czym tlen łączy się z węglem tworząc gazowy tlenek węgla, a mieszanina tlenku węgla i wodoru pierwiastkowego tworzy gaz palny zwany gazem wodnym. Mieszania gazów pirolitycznych i gazów powstałych w procesach spalania lub półspalania węgla lub/i gazu wodnego nosi nazwę gazu syntezowego, którego energia wykorzystywana jest na zewnątrz układu. W tym przypadku również żużel lub szlaka 15, po przejściu węgla pierwiastkowego do postaci gazowej, zawiera tylko części mineralne i ewentualnie metaliczne. Dwa komplety dysz 30 i 31 umożliwiają jednoczesne prowadzenie dwóch procesów: zgazowania węgla i regulację w ten sposób składu i temperatury gazu syntezowego niezależnie od temperatury procesu pirolizy utrzymywanej przy pomocy prądów wirowych. Wstrzyknięcie tylko wody lub pary wodnej dyszami 31 do przestrzeni reakcyjnej 8 wywołuje w obecności węgla pierwiastkowego endotermiczny proces rozkładu cząsteczek wody na atomy pierwiastków składowych, poprzez co następuje obniżenie temperatury w przestrzeni reakcyjnej 8, ale jednocześnie jednak wzrasta mimo obniżenia temperatury wartość opałowa gazu syntezowego, gdyż wzbogaca on się o palne składniki: tlenek węgla i wodór, a część tego wzbogaconego energetycznie gazu syntezowego strumieniem 27 przy pomocy wentylatora 28 kierowana jest do palnika pomocniczego 29, który zwiększa swój udział w wytwarzaniu strumienia ciepła 6.

Kierunek osi poobwodowo rozmieszczonych kompletów dysz 30 i 31 zapewnia powstanie wirów wstrzykiwanych mediów, które po reakcji z węglem organicznym żużla lub szlaki 15, ruchem spiralnym unoszą się ku górze, dzięki czemu znacznie wydłuża się droga i czas reakcji, czyli czas przebywania w przestrzeni reakcyjnej, co dalej skutkuje zmniejszeniem ilości toksycznych tlenków azotu, w przypadku, gdy wstrzykiwanym medium jest powietrze atmosferyczne.

W przypadku stosowania cieczy 4 w postaci roztopionego żelaza bądź cynku lub ołowiu lub ich stopów lub innych niskotopliwych a wysokoparujących metali lub stopów, procesowi termicznego przekształcania utylizacji termicznej poddają się wszystkie znane substancje organiczne i mineralne, gdyż mają one ciężar właściwy mniejszy od ciężaru właściwego cieczy, więc nie toną w niej, a utrzymują się na jej powierzchni poddając się tym samym działaniom mediów wstrzykiwanych za pomocą kompletów dysz 30 i 31. Na powierzchnię cieczy 4 można wprowadzić także sorbenty siarki, dzięki czemu przejdzie ona do związków stałych: siarczków i siarczanów i będzie usunięta z gazu syntezowego.

4. Cechy reaktorów RCM

1. Zaletą przedstawionych reaktorów RCM jest to, że do reakcji wprowadzony jest czynnik pośredni - ciecz, najkorzystniej stopiony metal - żelazo - o dużym ciężarze właściwym, o odpowiednio dobranej temperaturze topnienia i o wysokiej temperaturze parowania, dzięki czemu:

1.1 przestrzeń reakcyjna została oddzielona od bezpośredniego oddziaływania strumienia ciepła

1.2 temperaturę reakcji w przestrzeni reakcyjnej można nastawić niezależnie od ilości, sposobu i rodzaju gazów lub cieczy wprowadzanych do przestrzeni reakcyjnej

1.3 proces przemiany materii, zwłaszcza utylizacji odpadów, można prowadzić w szerokim przedziale temperatur, np. w przypadku użycia cyny w przedziale od 232 0C do 2 270 0C

1.4 proces przemiany (transformacji) materii, zwłaszcza odpadów, można prowadzić w dowolnie kształtowanych warunkach: tlenowych, beztlenowych, powietrznych, wodnych, itd. w jednym układzie, stosownie np. do rodzaju przekształcanego materiału

1.5 łatwo jest utrzymać pożądaną temperaturę dzięki dużej pojemności cieplnej cieczy, dzięki łatwej do zautomatyzowania pracy cewki wzbudzającej prądy wirowe w cieczy oraz sterowanym dowolnie kształtowanych warunkach tlenowych, beztlenowych, powietrznych, wodnych procesów egzo- i endotermicznym w przestrzeni reakcyjnej

1.6 urządzenie może pracować zarówno z katalizatorem, jak i bez katalizatora

1.7 w urządzeniu, w przeciwieństwie do innych znanych rozwiązań, żużel, szlaka, części smoliste nie przedostają się do produktów przemiany i mogą zostać zutylizowane w urządzeniu i potem z niego usunięte.

2. Urządzenie umożliwia termiczną obróbkę przedmiotów wielkogabarytowych, np. całych wraków samochodowych - bez rozbierania ich na części osuszania.

3. Poza okresowo przesuwanymi śluzami- w urządzeniu nie ma części ruchomych.

4. W urządzeniu nie występuje konieczność uszczelniania elementów wzajemnie ruchomych przez cały czas trwania procesu, jak np. w piecach obrotowych.

5. Elementy wymagające uszczelnienia, takie jak śluzy, pracują tylko sporadycznie, przez okres załadunku, a nie w sposób ciągły, przez co zwiększa się w sposób istotny trwałość całego urządzenia i uszczelnień.

6. Dzięki użytym materiałom, dzięki sposobowi prowadzenia procesu termicznej przemiany materii, dzięki objętości przestrzeni reakcyjnej porównywalnej z objętością cieczy - gradienty temperatury w tej przestrzeni reakcyjnej są bardzo małe, dzięki czemu z kolei proces termiczny zachodzi w stałej temperaturze, w całej objętości wprowadzonego materiału jednocześnie. Promieniująca w tych temperaturach wymurówka ceramiczna zwiększa sprawność przekazywania ciepła do wprowadzanych odpadów.

7. Urządzenie jest uniwersalne i można w nim utylizować naprzemiennie elementy wraków samochodowych, odpady komunalne, odpady przemysłowe, odpady szpitalne, pestycydy, ropopochodne i osady porafinacyjne, odpady polakiernicze, które normalnie spalają się wybuchowo, osady ściekowe, popioły, stłuczkę szklaną oraz odpady chemiczne specjalne wymagające do rozkładu (utylizacji) wysokich temperatur.

8. Dzięki wysokim temperaturom możliwym do osiągnięcia w przestrzeni reakcyjnej, nawet w przypadku termicznej utylizacji niskokalorycznych odpadów, nie występuje konieczność dodatkowego podgrzewania spalin w termokatalitycznych stacjach oczyszczania spalin, do temperatury wymaganej przez katalizatory, co znacznie potania koszty budowy takich stacji jak i ich późniejszej eksploatacji.

9. Dzięki wysokim temperaturom możliwym do osiągnięcia w przestrzeni reakcyjnej, nawet w przypadku termicznej utylizacji odpadów niskokalorycznych, powstający gaz syntezowy zawiera węglowodory zredukowane do tlenku węgla i wodoru, pozbawiony węglowodorów złożonych (organicznych) dzięki czemu, w większości przypadków nie jest konieczna budowa stacji oczyszczania spalin w ogóle.

10. Urządzenie można wykorzystać do utylizacji odpadów wcześniej nagromadzonych, np. na komunalnych wysypiskach śmieci.

11. Dwoma kompletami dysz 30 i 31 można jednocześnie wtłaczać w temperaturach ponad 850 ⁰C powietrze i parę wodną w określonych proporcjach takich, że endotermiczny proces rozkładu cząsteczek wody na tlen i wodór energetycznie równoważy egzotermiczny proces zgazowania węgla 15 do postaci tlenku węgla, dzięki czemu można w przestrzeni reakcyjnej 8 uzyskać stałą temperaturę pomimo zachodzących w niej różnych procesów.

12. Dzięki korzystnie dużemu ciężarowi właściwemu cieczy 4 i jej wysokiej temperaturze pracy kumuluje ona korzystnie dużą ilość energii cieplnej, dzięki temu nawet niewielka przestrzeń reakcyjna 8 może zapewnić korzystnie dużą wydajność urządzenia, wielokrotnie większą od wydajności innych urządzeń o zbliżonych wymiarach.

13. W odróżnieniu od reaktora plazmowego urządzenie ma w przestrzeni reakcyjnej równomierne pole temperatur i nie wymaga użycia skomplikowanego zasilacza prądowo- napięciowego, co najwyżej zasilacza elektrycznego wzbudzającego prądy wirowe potrzebne do stopienia metalu.

14. Do procesu termicznej utylizacji odpadów można stosować mieszankę parowo-tlenową w fazie zgazowania i czysty tlen w fazie dopalania gazów syntezowych, co w efekcie powoduje wielokrotne zmniejszenie ilości spalin z ograniczoną ilością tlenków azotu. Instalacje czystego tlenu występują w hutach.

15. W przypadku zgazowania odpadów komunalnych w atmosferze czystego tlenu uzyskuje się gaz syntezowy złożony głównie z wodoru i dwutlenku węgla.

16. Ciekłometaliczne złoże żelazne rozpuszcza aluminium, miedź i ołów, dzięki czemu zatrzymuje w sobie pierwiastki metali ciężkich i nie przedostają się one do atmosfery.

17. Płynna szlaka utrzymująca się na powierzchni złoża ciekłometalicznego ogranicza parowanie metali w ogóle.

18. W reaktorze ciekłometalicznym w temperaturze 1570 ⁰C wykonano proces zgazowania i chemicznego utleniania odpadów (różne grupy tworzyw sztucznych) wymieszanych w równych częściach wagowych z wodą. W temperaturze procesu cząsteczki wody uległy dysocjacji na tlen i wodór (O + H₂), przy czym tlen brał udział w chemicznym utlenieniu węgla organicznego.

19. Proces "spalania w wodzie" odbywał się bez udziału tlenu atmosferycznego, a więc bez udziału azotu. W czasie wprowadzania odpadów do reaktora dostawała się również do niego pewna ilość powietrza i w związku z tym - azotu. W tym przypadku nadmiarowy, niespalony wodór, wykazując silne własności redukcyjne, redukuje tlenki azotu do postaci azotu i pary wodnej, zgodnie z reakcją:
2H₂ + NO₂ 2H₂O + N

20. Stosunkowo czysty i wysokotemperaturowy gaz syntezowy - gazowe paliwo ekologiczne otrzymane z odpadów - może być w przyszłości wykorzystane do zasilania ogniw paliwowych wodorowych lub ogniw paliwowych pracujących na gaz syntezowy.

21. Złoże ciekłometaliczne o masie 1t wymaga użycia energii elektrycznej o mocy 24 kW do utrzymania go w stanie ciekłym. Na takim złożu można prowadzić proces utylizacji odpadów z wydajnością minimalną 125 kg/h. Przyjmując skrajnie niską wartość opałową odpadów 2 kWh/1kg otrzymujemy energię na wyjściu układu równą 250 kWh/h. Jeśli ze strumienia energii wyjściowej wydzielimy strumień energii o mocy 100 kWh/h i będzie on służył do zasilania agregatów prądotwórczych wyposażonych w silniki gazowe o sprawności 24%, to otrzymamy z tych silników moc elektryczną 24 kW potrzebną do utrzymania układu w stanie pracy.
W ten sposób może być realizowana idea "odpady pracują na odpady".

22. Z ogólnego strumienia energii 250 kWh/h do sprzedaży można przeznaczyć 150 kWh/h. Przy cenie sprzedaży jednostki energii 100 zł/1MWh otrzymuje się przychody z tej sprzedaży w wysokości 15 zł/h. Za przyjęcie odpadów niebezpiecznych i przemysłowych do utylizacji można przyjąć zapłatę 2 zł/1kg. W związku z tym spodziewane przychody z tego tytułu szacuje się na 250 zł/h. Przy pracy rocznej urządzenia przez 4000 h łączne przychody kształtują się na poziomie powyżej 1mln zł. Stanowisko RCM ze złożem 1t kosztuje 0,4 mln zł.

23. Użycie wody do procesu rozcieńcza spaliny.

24. W żelaznym złożu ciekłometalicznym rozpuszczają się takie metale jak : Cu, Al., Ni, As, Co, i inne, do żużla przechodzi wapń, krzem i metale : Mn, Cr i inne, natomiast odparowują z niego metale : Pb, Zn, Hg, Cd.

5. Właściwości technologiczne reaktorów RCM

Reaktory RCM umożliwiają prowadzenie w warunkach kontrolowanych procesów odgazowania i zgazowania materiałów organicznych przy użyciu różnych mediów: atmosfera beztlenowa, powietrze, tlen, mieszanka tlenowo-powietrzna, para wodna jako nośnik tlenu pozbawiony azotu, mieszanka parowo - powietrzna, itd.

W przypadku termicznego przetwarzania materiałów organicznych odpadowych szczególnego znaczenia nabierają zagadnienia ekologiczne. Z tego punktu widzenia dogodnie jest prowadzić proces przetwarzania odpadów w wysokich temperaturach 1200 - 21000C, w których wiele związków organicznych ulega rozpadowi, a węglowodory redukują się do tlenku węgla i wodoru lub dwutlenku węgla i wodoru.

W tak wysokim przedziale temperatur pracują reaktory ciekłometaliczne, np. w hutach (reaktory RCM) i reaktory plazmowe.

W jądrze plazmy wytwarzana jest temperatura 10 000 - 20 000 ⁰C, na ściankach reaktora, które mają kontakt z przetwarzaną materią, występuje temperatura 1700 - 2500 ⁰C. W tej temperaturze np. w warunkach beztlenowych, 95% masy odpadów szpitalnych zostaje przetworzona na mieszaninę prostych gazów palnych (Tab.5.1).

Tabela 5.1. Skład gazowych produktów pirolizy odpadów szpitalnych w reaktorze plazmowym

Podobnie zachowują się inne odpady (np. trudno-rozkładalne żywice) - tab. 5.2.

Tabela 5.2 Zestawienie masy pirolitycznych gazów palnych, lotnych w temperaturach pokojowych, w funkcji temperatury pirolizy dla wybranych grup odpadów organicznych

Tabela 5.3 Ilość energii cieplnej skumulowanej w Reaktorze Ciekło - Metalicznym w kWh przy temperaturach pracy w zakresie 1650-1200 ⁰C dla różnych metali w ilości 1t i 1m3

Poza obszarem temperatur plazmy, w przedziale temperatur 1200-2100 ⁰C, zjawiska pirolizy różnych materiałów organicznych zostały słabo zbadane. W wyniku wysokotemperaturowego procesu zgazowania odpadów organicznych otrzymuje się stosunkowo czysty gaz syntezowy o wartości opałowej równej połowie wartości opałowej gazu ziemnego, większej niż wartość progowa dla silników gazowych napędzających agregaty prądotwórcze.

Reaktory ciekłometaliczne (reaktory RCM), poza potrzebą pierwszego stopienia metalu, wymagają ciągłego doprowadzania energii cieplnej potrzebnej do podtrzymania temperatury procesu i pokrycia strat ciepła. Energia ta czerpana jest z egzotermicznych procesów zgazowania odpadów organicznych w przestrzeni reakcyjnej reaktora RCM.

Nadmiar energii wyprowadzany jest z przestrzeni reakcyjnej do dalszego wykorzystania strumieniem gazów poreakcyjnych. Gazy te przed ich dalszym wykorzystaniem są studzone i odpylane.

W reaktorach RCM oprócz zjawisk: osuszania, odgazowania (pirolizy) odpadów występuje także proces zgazowania węgla organicznego, którego w odpadach komunalnych jest około 55%, przy użyciu mieszanki parowo-powietrznej. Skład tej mieszanki jest tak dobrany, że:

• utrzymana zostaje stała temperatura w przestrzeni reakcyjnej poprzez zapewnienie równowagi pomiędzy endotermicznym procesem rozkładu wody w obecności węgla na O i H₂, egzotermicznym procesem półspalania węgla do postaci CO lub jego spalania do postaci CO₂ i energią dostarczaną

• zapewniony zostaje najniższy z możliwych poziom NO_X-ów,

• procesy egzotermiczne pokrywają straty ciepła występujące w układzie.

Reaktory RCM można traktować jako przedpaleniska istniejących kotłów. Mogą one także stanowić podstawowe urządzenie Zakładu Utylizacji Końcowej Odpadów.

6. Sposoby zagospodarowania gazów reakcyjnych

Gazy reakcyjne powstające w procesie zgazowania odpadów przy udziale wody w temperaturze 1 500 ⁰C, zawierające CO lub CO₂ i H₂ można zagospodarować w różny sposób:

•Spalanie gazów reakcyjnych w powietrzu

W wyniku spalania gazów w powietrzu wydziela się ciepło. Należy jednak liczyć się w tym przypadku z:

• dużą ilością spalin

• obecnością w spalinach tlenków azotu.

•Spalanie gazów reakcyjnych w obecności utleniaczy

Spalanie gazów reakcyjnych w obecności utleniaczy prowadzi do wydzielenia się ciepła. W tym przypadku powstaje jednak kilkakrotnie mniejsza ilość spalin, niż w przypadku pierwszym. W zależności od rodzaju użytego utleniacza w spalinach mogą się pojawić tlenki azotu, lub nie.

•Spalanie w powietrzu schłodzonych gazów reakcyjnych

Gaz reakcyjny można schłodzić do temperatur np. pokojowych w chłodnicy, a następnie spalać w powietrzu, w kontrolowanych warunkach fizycznych. W tym przypadku w układzie są dwa źródła ciepła: chłodnica i palnik gazowy.

•Spalanie gazów reakcyjnych w silnikach gazowych agregatów prądotwórczych

Schłodzony w chłodnicy do temperatury 60 0C lub niższej gaz reakcyjny może stanowić paliwo gazowe agregatów prądotwórczych wyposażonych w silniki gazowe. Jeśli agregat prądotwórczy wyposażony jest dodatkowo w wymiennik ciepła pracujący na spalinach, to jest on źródłem nie tylko energii elektrycznej, lecz również cieplej.

•Użycie gazów reakcyjnych do zasilania ogniw paliwowych

Gaz syntezowy, otrzymany z reaktora RCM, można będzie użyć do zasilania ogniw paliwowych w celu produkcji energii elektrycznej. Ogniwa paliwowe pracujące na gazie syntezowym ze sprawnością 40 % wejdą do eksploatacji za kilka lat.

•Separacja składników gazów reakcyjnych

Gorące składniki gazów reakcyjnych można na sicie molekularnym rozdzielić na tlenek węgla i wodór. Wodór można wykorzystać w wodorowym ogniwie paliwowym o sprawności 60 %, natomiast tlenek węgla spalić w kontrolowanych warunkach.

•Likwidacja spalin gazów reakcyjnych

Gorące spaliny gazów reakcyjnych zawierające CO₂ i parę wodną można zredukować do związków typu X₂CO₃ i wody. W tym przypadku technologia RCM nie potrzebuje komina, staje się technologią "bezkominową", i choć fizycznie jest technologią termiczną, nie jest technologią termiczną w rozumieniu Ustawy "O Odpadach".

(Tlen do spalania gazów reakcyjnych można czerpać z kopalni, w których istnieją urządzenia do separacji tlenu atmosferycznego i azotu, przy czym tlen jest uwalniany do atmosfery, a azot służy do wentylowania zagrożonych wybuchem szybów kopalnianych).

•Zintegrowanie reaktora RCM i spalarni odpadów

Dowolne odpady, dzięki reaktorowi RCM, można spalać nawet w warunkach prymitywnych, a następnie popiół skierować do reaktora RCM celem jego zeszklenia. Również spaliny można skierować do tegoż reaktora i zmienić ich skład chemiczny dzięki użytym dodatkom i katalizatorom.

W procesie szokowego schładzania spalin można odzyskać energię cieplną.

•Przystawka Satelitarna

Reaktor RCM można potraktować jako Przystawkę Satelitarną współpracującą z kotłem energetycznym. W systemie tym zwitryfikowany popiół wyprowadzany z reaktora używa się jako kruszywo budowlane, a gaz syntezowy (gazy reakcyjne) wprowadza się do komory paleniskowej kotła energetycznego, gdzie w atmosferze powietrza wtórnego z zastosowaniem np. technologii energowiru, gaz syntezowy zostaje spalony stając się dodatkowym źródłem ciepła. W ten sposób następuje współspalanie odpadów z paliwami kopalnymi.

7. Produkcja nośników wodoru węglowodorów ciekłych z odpadów

W znanych urządzeniach dokonuje się przekształcanie odpadowych tworzyw sztucznych typu PE i PP na olej parafinowy będący mieszaniną węglowodorów alifatycznych o liczbie atomów węgla w łańcuchu od C4 do C28. Olej parafinowy zawiera wagowo ok. 15% wodoru, jest pozbawiony azotu, siarki, chloru i pozbawiony jest popiołu po spaleniu. Olej parafinowy należy do grupy syntetycznych paliw ekologicznych. Jego wartość opałowa wynosi 12 kWh/1kg.

Odpadowe tworzywa sztuczne z grupy tworzyw PE i PP wytwarzane są w ilości 780 000 ton rocznie. Ich potencjał energetyczny szacowany jest na 9 360 000 MWh.

Olej parafinowy użyty jako paliwo do silników diesla napędzających agregaty prądotwórcze byłby źródłem energii elektrycznej równej 2 500 000MWh i energii cieplnej równej 5 600 000 MWh produkowanych w skojarzeniu. Pozostała część energii to energia strat.

Agregaty prądotwórcze, o których mowa wyżej, wygodnie jest wykorzystać do zasilania pieców indukcyjnych reaktorów RCM, a pozyskaną z nich energię cieplną - do wstępnego ogrzania wsadu.

Rys. 7.1 Schemat układu do wytwarzania paliw węglowodorowych z odpadów i energii

W tym przypadku zostaje realizowana idea : "odpady pracują na odpady", a ich przetwarzanie następuje bez udziału paliw i energii dostarczanych z zewnątrz. Proces przekształcania odpadowych tworzyw sztucznych na ekologiczne paliwo syntetyczne wymaga użycia ciepła. Jeśli do wytworzenia ciepła potrzebnego do podtrzymania procesu będzie się wykorzystywało potencjał energetyczny biomasy (rys. 8.1), to przy użyciu 1 kg biomasy można wytworzyć 1 litr paliwa o wartości opałowej 10 kWh.

Sprawę nośników paliw węglowodorowych omówiono szczegółowo w pracy [2].

8. Układ "samolikwidacji" odpadów - Produkcja wodoru - Zakład Utylizacji Końcowej Odpadów

Praktyczna realizacja idei : "odpady pracują na odpady" prowadzi do zamkniętych obiegów materiałowo-energetycznych w systemach gospodarki odpadami. Systemy z zamkniętymi obiegami materiałowo - energetycznymi można rozbudować do układów "samolikwidacji" odpadów.

W układach tych energię pozyskaną z wybranych grup rodzajowych odpadów organicznych wykorzystuje się do zniszczenia (likwidacji) w reaktorze wysokotemperaturowym pozostałej części odpadów. Reaktorem wysokotemperaturowym jest w szczególności reaktor ciekło-metaliczny RCM. Schemat ideowy struktury układu "samolikwidacji" odpadów przedstawia poniższy rysunek.

Rys. 8.1 Schemat ideowy struktury układu "samolikwidacji" odpadów

Termin "samolikwidacja" oznacza tu, że układ jest samowystarczalny w sensie energetycznym i surowcowym oraz że może stanowić jednostkę autonomiczną. Funkcjonowanie układu można rozpatrzyć na przykładzie odpadów komunalnych gromadzonych w ilości 60 000 ton rocznie (175 000 - 200 000 mieszkańców). Spośród tych odpadów segreguje się odpady biologiczne przeznaczone na kompost w ilości 26 000 ton rocznie oraz odpadowe surowce energetyczne: paliwo komunalne w ilości 22 000 ton rocznie. Odrzut technologiczny na wysypisko stanowi 12 000 ton rocznie. Z paliwa komunalnego pozyskuje się energię ok. 43 GWh/rok.

Na termiczną destrukcję odrzutu technologicznego w reaktorze wysokotemperaturowym potrzebna jest energia elektryczna nie większa niż 0,8 kWh/1kg, czyli rocznie nie więcej niż 9 600 MWh_e/rok.

Źródłem potrzebnej energii elektrycznej jest "elektrociepłownia" wyposażona w agregaty prądotwórcze. Przyjmując sprawność agregatów prądotwórczych na 25 % uzyskuje się energię elektryczną w ilości

42 778 MWh/rok x 0,25 = 10 700 MWh_e/rok.

Jak widać z bilansu energetycznego, układ dysponuje nawet pewnym zapasem energii, który może być spożytkowany np. do celów socjalnych. Bilans ten może być jeszcze bardziej korzystny, jeśli nie cały odrzut technologiczny będzie się przeznaczać do likwidacji, a będzie się np. sprzedawać wysegregowane surowce wtórne (metal, szkło).

Wszystkie elementy struktury układu "samolikwidacji odpadów komunalnych są znane. Odpowiadające im urządzenia pracują, każde oddzielnie, nie tworząc układu o obiegach zamkniętych.

Na obecnym etapie rozwoju technologicznego najbardziej kłopotliwym elementem układu "samolikwidacji" odpadów komunalnych jest "Elektrociepłownia".

• "Elektrociepłownia" produkując 10 700 000 kWh energii elektrycznej rocznie, pracując równomiernie przez cały rok, musi dysponować mocą ok. 1 600 kW. Taką moc zapewniają 4 agregaty prądotwórcze o mocy 0,4 MW każdy, pracujące równolegle. Agregaty prądotwórcze będą musiały być wyposażone przy tym w silniki gazowe iskrowe i spalać gaz energetyczny syntezowy otrzymany ze zgazowanej odpadowej masy organicznej. Spaliny rozkładane są dalej w reaktorze RCM.

• Wygodnym rozwiązaniem jest jako "Elektrociepłownię" układu wykorzystać nieczynną elektrociepłowni lub ciepłownię. Układ zostałby wzbogacony w tym przypadku o całą infrastrukturę techniczną.
  "Elektrociepłownia" taka pracowałaby w oparciu o odnawialne, alternatywne źródła energii, jakie stanowią niektóre łatwo segregowalne grupy rodzajowe odpadów komunalnych, czyli antropogenicznych złóż surowców energetycznych.

• Innym korzystnym rozwiązaniem prowadzącym do pozyskania "elektrociepłowni" układu mogłoby być porozumienie z funkcjonującą elektrociepłownią polegające na tym, że elektrociepłowni dostarcza się energię cieplną pozyskaną z surowców energetycznych "komunalnych", a odbiera się z niej równoważną ilość energii elektrycznej potrzebnej do zasilania reaktora wysokotemperaturowego. Wzajemne usługi mogą przy tym zostać zbilansowane kwotowo.

• Korzystnym rozwiązaniem problemu "elektrociepłowni" byłoby wykorzystanie turbiny gazowej albo zespołu agregatów prądotwórczych wyposażonych w silniki parowe. Źródłem pary mogłyby być w tym przypadku paleniska wodorowe.

• Reaktory wysokotemperaturowe muszą być w tym przypadku zaprojektowane i wykonane na moc 0,4 MW każdy, co nie stanowi dużych trudności technicznych.

Produktami procesu likwidacji odpadów w reaktorach wysokotemperaturowych są: gazy odlotowe zagospodarowywane w sposób przedstawiony powyżej oraz ciepło odzyskane w wymiennikach ciepła. Ciepło to z kolei może być wykorzystane do osuszania odpadów organicznych (paliwa wtórnego), podlegających dalej zgazowaniu.

W przypadku zwitryfikowania w reaktorze ewentualnych popiołów i innych części ceramicznych Układy "Samolikwidacji" Odpadów mogą stanowić podstawę pracujących bezodpadowo Zakładów Utylizacji Końcowej Odpadów.

9. Zintegrowane Systemy Ekologiczne

Zintegrowane Systemy Ekologiczne w sposób inżynierski wykorzystują właściwości fizyko-chemiczne odpadów i składają się z wielu kaskadowo połączonych urządzeń, z których każde przetwarza inną grupę rodzajową odpadów wytwarzając produkty potrzebne do pracy następnego urządzenia.

Zintegrowane Systemy Ekologiczne mogą mieć różną strukturę. W każdym z tych systemów jednak odpady same dla siebie są źródłem energii i źródłem surowców potrzebnych do pracy poszczególnych urządzeń. Niektóre z tych Systemów można tak zaprojektować, że produktem ich pracy będzie, oprócz efektu niszczenia odpadów, paliwo wodorowe.

Przykład takiego Systemu przedstawiono schematycznie na poniższym rysunku (10.1).

Rys. 9.1 Schemat układu do przetwarzania wszelkich odpadów z odzyskiem paliwa wodorowego i energii

W układzie tym biomasa użyta jest do przetwarzania odpadowych tworzyw sztucznych na węglowodory ciekłe, które użyte jako paliwo w agregatach prądotwórczych jest źródłem energii elektrycznej i cieplnej zasilającej z kolei reaktory RCM, w których następuje niszczenie innych grup rodzajowych odpadów i produkcja wodoru.

W układzie tym produkcja wodoru jest efektywna ekonomicznie, gdyż zwykle za przyjęcie odpadów do utylizacji pobiera się stosowną opłatę.

10. Obowiązek mądrego przetwarzania odpadów

Wykorzystanie odpadów organicznych jako paliwa w zamkniętych obiegach materiałowo-energetycznych przynosi wymierne efekty ekologiczne i ekonomiczne. Efekty

te mogą być podstawą do wykonania "biznes planów" warunkujących pozyskanie od inwestorów środków finansowych na realizację prezentowanych inwestycji proekologicznych, bez konieczności użycia środków publicznych. Przedstawiona idea, aby "odpady pracowały na odpady" z odzyskiem paliwa wodorowego i energii, może przybliżyć Polskę do sprostania wymaganiom Unii Europejskiej.

Polska jest sygnatariuszem Protokołu Karty Energetycznej Unii Europejskiej Dotyczącego Efektywności Energetycznej i Odnośnych Aspektów Ochrony Środowiska.

Protokół jest podpisany w oparciu o :

• Europejską Kartę Energetyczną przyjętą Aktem Końcowym Haskiej Konferencji na temat Europejskiej Karty Energetycznej podpisanej w Hadze dnia 17 grudnia 1991 r.

• Traktat Europejskiej Karty Energetycznej z dnia 17 października 1994 r.

Protokół wprowadza pojęcie Cyklu Energetycznego.

- "Cykl Energetyczny oznacza cały łańcuch energetyczny obejmujący działania związane z poszukiwaniami, rozpoznawaniem, wydobyciem, przetwarzaniem, magazynowaniem, transportem, dystrybucją, użytkowaniem różnych form energii oraz przetwarzanie i pozbywanie się odpadów, jak również przerwanie, zaniechanie lub zakończenie tych działań przy minimalizacji szkodliwego oddziaływania na środowisko".

- Protokół zachęca do innowacyjnego podejścia do inwestowania w poprawę efektywności energetycznej, takiego jak Finansowanie przez Stronę Trzecią i współfinansowanie.

- Protokół w przykładowej liście możliwych obszarów współpracy podaje analizę efektywności energetycznej w rafinacji, przerobie, transporcie i dystrybucji węglowodorów.

- Protokół wprowadza, w odniesieniu do odpadów komunalnych, pojęcie Cyklu Energetycznego. Karta Energetyczna Unii Europejskiej wprowadza także pojęcie Całego Cyklu Energetycznego. Jeśli pojęcie "Cały Cykl Energetyczny" rozumieć jako Zamknięty Cykl Energetyczny, oznacza to, że z materią odpadową powinniśmy postępować tak, jak Przyroda postępuje z Odnawialnymi Źródłami Energii.

Przedstawione Systemy spełniają wymagania Protokołu Karty Energetycznej Unii Europejskiej.

12. Zakończenie

Przedstawiony powyżej proces, oparty na reaktorach RCM, w sposób zasadniczy różni się od spalania.

W procesie spalania ważne są m. in. wartość opałowa i temperatura zapłonu paliwa. Temperatura spalania paliwa ustala się samoistnie w sposób przyrodniczy.

W rozpatrywanym przypadku natomiast wartość opałowa przekształcanego materiału odpadowego, ani też jego temperatura zapłonu, nie gra żadnej roli. Poza tym w reaktorze RCM nastawia się pożądaną temperaturę procesu. Poprzez dodanie czynników zewnętrznych, np. wody, zmienia się chemię procesu, co nie jest możliwe ani w procesach spalania, ani w plazmotronach.

Gaz poreakcyjny otrzymany w sposób opisany powyżej ma pięciokrotnie mniejszą objętość niż miałyby spaliny powstałe w procesie spalania materii odpadowej. Dlatego też w tym przypadku pochłonięcie CO2 w znany sposób z gazów poreakcyjnych nie jest zbyt trudne. Prowadzi to do uwolnienia gazu H2 jako ostatecznego produktu rozkładu odpadowej materii organicznej.

W przeprowadzonym doświadczeniu z wodorowym ogniwem paliwowym o mocy znamionowej 50 kW uzyskano moc rzeczywistą 35 kW. Dalsze wykorzystanie tak wytworzonej energii elektrycznej do podtrzymania procesów zachodzących w reaktorze RCM wydaje się być rzeczą oczywistą.

Tak wytworzony wodór można wykorzystać m.in. do uwodorniania paliw w rafineriach. W rafineriach do produkcji wodoru można użyć w szczególności uwodnione osady petrochemiczne i osady porafinacyjne, które zalegają w zbiornikach ziemnych w ilości ok. 500 000 ton. Wodór powszechnie uważa się za (odnawialne?) paliwo przyszłości, ale również [3] : "Za paliwo przyszłości uważa się drewno wiklinowe z plantacji energetycznych przetwarzane na metanol powstający w wyniku suchej destylacji drewna oraz wodór gazowy wytworzony podczas elektrolizy metanolu".

Wszystkie przedstawione powyżej urządzenia i procesy zostały już wdrożone w praktyce z tym, że każde z osobna. Obecnie należy zestawić przygotowane technologie i urządzenia w układy kaskadowe tworzące Zintegrowane Systemy Ekologiczne.

LITERATURA

1. Pilawski M., Pabjan Z., Ziętek M. - zgłoszenie patentowe nr P - 330 299 z dnia 15.12.1998 r. "Sposób i urządzenie do termicznego i termokatalitycznego przekształcania materii".

2. Prof. Mirosław Dakowski: "Perspektywy energetyki słońce, hydraty, wodór", "Rurociągi", nr 4/2001, str. 3-10, Warszawa 2001 r.

3. Prof. zw. dr hab. inż. Piotr Kowalik: "Wiklinowe uprawy energetyczne", "Czysta Energia", czerwiec 2002, nr 6 (10 ) 2002, str. 8-9.

dr inż. Marek Pilawski
mgr Zbigniew Pabjasz
Michał Ziętek

dr inż Marek Pilawski, ur. 06.05.1944 ukończył Politechnikę Warszawską Wydział Elektryczny, doktorat w 1975 inżynier europejski, zrzeszony i zarejestrowany przy Unii Europejskiej członek wielu organizacji ekologicznych i energetycznych w Polsce, m. in.:  - Polskie Towarzystwo Recyklingu  - Komitet Ochrony Środowiska KIG  - Ekspert Izby Gospodarczej "EKOROZWÓJ" autor ponad 80-ciu publikacji z zakresu ochrony środowiska i energetyki autor kilkudziesięciu patentów, z których wiele zostało wdrożonych autor ponad 10 książek - podręczników szkolnych dla średnich szkół technicznych członek grupy "ALTRIS" wdrażającej polskie nowe technologie ochrony środowiska