Spalanie odpadów komunalnych w kotłach rusztowych (cz. 1)

Minimalizacja ujemnych oddziaływań budowanych instalacji na środowisko polega na optymalizacji procesu przekształcania termicznego, automatyzacji procesu spalania oraz oczyszczania spalin w sposób gwarantujący nieprzekraczanie określonych poziomów emisji substancji szkodliwych do atmosfery i do gleby. Technologia typu K umożliwia spełnienie wszelkich wymogów prawnych regulujących sposoby termicznego przetwarzania odpadów w urządzeniach energetycznych.

Analiza techniczna i technologiczna potencjalnych paliw energetycznych wytworzonych z odpadów komunalnych wykazała, że najbardziej ekonomicznym i ekologicznym sposobem energetycznego recyklingu odpadów (ERO) jest wytworzenie formowanych alternatywnych paliw energetycznych (FAPE) w postaci sprasowanych kęsów, brykietu lub pelet służących do opalania kotłów elektrociepłowni pracujących w układzie kogeneracji, łączącej układ turbogeneratora parowego i turbogeneratora ORC (Organic Rankine Cycle).

Propozycja zasilania układów kotłowych przez APE (alternatywne paliwa energetyczne) w postaci FAPE wynika z analizy logistycznej podawania paliwa do elektrociepłowni. Zasilanie elektrociepłowni FAPE w pierwszej kolejności zmniejsza objętość podawanego paliwa, a następnie zmniejsza jego zawilgocenie i zwiększa kaloryczność. Jest to prawidłowość niezależna od stosowanych technologii i rodzaju urządzeń do brykietowania i peletowania biomasy i wyselekcjonowanych frakcji odpadów komunalnych i przemysłowych.

Najprostszy sposób wytwarzania FAPE jest bowiem związany zawsze z częściowym pozbawieniem odpadów wilgoci i wzrostem ciepła spalania, co stanowi najbardziej racjonalny technologicznie i ekonomicznie wariant energetyczny.

Oznacza to konieczność budowy zakładów zagęszczających palne części odpadów w bezpośrednim sąsiedztwie wysypisk i sortowni odpadów. W konsekwencji jest to „dar natury”, który umożliwia oddzielenie uciążliwych wysypisk, składowisk i sortowni odpadów od elektrociepłowni opalanych wytworzonym FAPE, usytuowanych w ośrodkach zurbanizowanych, w których istnieje możliwość odbioru wyprodukowanej energii cieplnej bez przykrych i uciążliwych konsekwencji dla miejscowej ludności [1–2].

Spalanie odpadów to głównie utlenianie materiałów palnych w nich zawartych. Odpady są na ogół bardzo zróżnicowanymi materiałami, składającymi się przede wszystkim z substancji organicznych, minerałów, metali i wody. Podczas spalania powstają gazy spalinowe, które zawierają większość dostępnej energii paliw w postaci ciepła. Substancje organiczne zawarte w odpadach ulegną spaleniu po osiągnięciu temperatury zapłonu oraz wejściu w kontakt z tlenem.

Właściwy proces spalania odbywa się w fazie gazowej przez ułamki sekund i doprowadza do powstania energii. Tam, gdzie wartość kaloryczna odpadów i ilości tlenu jest wystarczająca, może to doprowadzić do termicznej reakcji łańcuchowej i samoczynnego spalania, bez potrzeby dodawania paliw wspomagających.

Aby proces spalania paliwa odpadowego przebiegał samoistnie, bez wspomagania, musi zostać zapewniona odpowiednia technologia procesu. W palenisku fluidalnym można spalać odpad o zawartości popiołu nawet do 80% [10–11]. Polska, wchodząc do Unii, zobowiązała się, że do 2010 r. ograniczy o 25% ilość śmieci, które wyrzucane są na wysypiska.

Na składowiska miało trafić nie więcej niż 75% masy odpadów komunalnych ulegających biodegradacji. W 2013 r. musi to być już maksymalnie 50%, a w 2020 r. – 35%. Eksperci są zgodni, że będziemy musieli płacić kary, nawet 250 tys. euro dziennie, co oznacza, że opóźnienie może nas kosztować rocznie ok. 100 mln euro.

Dzisiaj nie ma już żadnych szans na wywiązanie się z naszych zobowiązań dotyczących gospodarki odpadami. Wymagałoby to bowiem podjęcia kompleksowych i systemowych działań: budowy zakładów przetwarzania zmieszanych odpadów komunalnych oraz utworzenia regionów gospodarki odpadami komunalnymi, co powinno przyczynić się do uzyskania wysokiej efektywności ekonomicznej i ekologicznej konkretnych przedsięwzięć.

Właściwości utylizowanych odpadów

Do istotnych cech odpadu należą: jego postać fizyczna, wartość opałowa, zawartość części palnych, części lotnych, wody i substancji mineralnych, skład chemiczny, skład fazowy i pierwiastkowy, bezpośrednia toksyczność i skażenie biologiczne [3–5].

Wilgoć

Wilgoć podawanych do instalacji odpadów może się zmieniać w przedziale od 0 do 80%, z wyjątkiem krwi, która podawana w mieszance z innymi odpadami może zawierać 90% wilgoci. Podawane do utylizacji odpady w przypadku technologii K nie wymagają podsuszania, tym bardziej że suszenie powoduje powstanie nowych odpadów w postaci oparów zawierających różnego rodzaju odory, wymagające zazwyczaj neutralizacji biologicznej. Przy zastosowaniu technologii K odory zostają całkowicie zlikwidowane w procesie spalania.

Substancje mineralne
Struktura fizyczna i skład chemiczny substancji mineralnej mają ogromny wpływ na przebieg procesu utylizacji odpadów w urządzeniu kotłowym. Substancja mineralna może bowiem wchodzić w skład chemiczny substancji organicznej, może tworzyć odrębne struktury połączone fizycznie z substancją organiczną lub je otaczać. Wpływ i oddziaływanie substancji mineralnej objawia się w różny, często nieprzewidywalny sposób zarówno w fazie suszenia, wyjścia części lotnych, jak i w fazie spalania karbonizatu.

O szybkości wypalania karbonizatu oraz sposobie zachowania się spalanej substancji w istotny sposób decydują ilość i skład elementarny substancji mineralnej, z której po spaleniu powstaje popiół. Substancja mineralna może bowiem wchodzić w związki chemiczne z pierwiastkami (C, H, O, S, N), które tworzą substancję palną (guma, PVC, kości), i wówczas jest to tzw. substancja związana chemicznie. Może też nie być związana chemicznie z substancją palną, będąc substancją przybyszową dającą się mechanicznie oddzielić, np. w procesie flotacji. Skład chemiczny substancji mineralnej odgrywa natomiast bardzo istotną rolę w procesie termicznych przemian popiołu w trakcie spalania.

Pierwiastki metali grupy alkalicznej (Mg, Ca) oraz grupy litowców (Na, K) w bardzo istotny sposób obniżają temperatury fizyczne popiołu (spiekania, mięknienia, topnienia i płynięcia). W przeciwieństwie do nich pierwiastki grupy węglowców (Si), borowców (Al) oraz żelazowców (Fe, Co, Ni) charakterystyczne temperatury popiołu znacznie podnoszą.

Oznaczone zawartości popiołu (Ar) przedstawione w tab. 1 wykazały, że składniki morfologiczne odpadów pochodzących z organicznych substancji roślinnych i zwierzęcych (poza odpadami kostnymi) zawierają znacznie mniej popiołu niż odpady pochodzenia przemysłowego typu PVC, guma i skóry, w których pierwiastki chemiczne tworzą popiół w znacznej mierze związany chemicznie z pierwiastkami tworzącymi substancję palną. Substancję mineralną w tej grupie odpadów tworzą głównie pierwiastki: Si, Al, Fe, Co, Ni, które znacznie zwiększają charakterystyczne temperatury popiołu.

Popiół pochodzący z odpadów roślinnych i zwierzęcych powstaje głównie z pierwiastków grupy Ca, Mg, Na, K, które obniżają charakterystyczne temperatury popiołu w trakcie termicznego nagrzewu. Obniżenie temperatur jest na tyle znaczne, że wymaga bardzo uważnego przeprowadzania procesu, aby nie przekroczyć temperatury w złożu spalającego się paliwa w wysokości 1000°C, gdyż powoduje to oblepienie niespalonego paliwa przez roztopiony żużel i znaczny wzrost straty niecałkowitego spalania w żużlu (Snż).

Zawartość popiołu autochtonicznego w odpadach organicznych waha się od 0,5 do 5%, a w odpadach przemysłowych od 10 do 20%. Wśród odpadów organicznych jedynie odpady kostne zawierają duże ilości popiołu, na poziomie 25–35%. Odpady kostne charakteryzują się popiołem o bardzo niskiej temperaturze spiekania, mięknienia i topnienia.

Wartość opałowa
Podstawowym parametrem decydującym o wartościach energetycznych i możliwym przebiegu procesu termicznej utylizacji i wyzwalania się energii cieplnej jest wartość opałowa spalanego paliwa odpadowego. Może ona przyjmować zarówno dodatnie, jak i ujemne wartości. Wartość opałowa jest szczególnie ważna przy ocenie przydatności odpadów w danej technologii termicznej utylizacji. Musi być ona jednoznacznie powiązana ze strukturą i własnościami fizykochemicznymi i morfologicznymi odpadów.

Przyjmując, że każda  substancja odpadowa w swoim składzie morfologicznym zawiera substancje palne o dodatniej wartości opałowej, substancje mineralne o zerowej wartości i wilgoć mającą ujemną wartość opałową, należy tak zaprojektować przetwarzanie odpadów, by w jego wyniku osiągnąć wzrost wartości opałowej. Wzrost ten jest możliwy dzięki obniżeniu zawartości wody i substancji mineralnych w substancji odpadowej.

Rozdrobnienie
Rozdrobnienie odpadów i biomasy uwarunkowane jest głównie zdolnością transportową podajników. Przyjmuje się, że maksymalny wymiar podawanej substancji stałej nie powinien być większy niż 120 mm. Kości zwierzęce i inne duże odpady wymagają zatem przycięcia. Podany rozmiar jest konieczny do bezawaryjnej pracy instalacji. Dotyczy to również odpadów przemysłowych, opakowań i odpadów komunalnych.

Skład chemiczny
Przy spalaniu odpadów należy brać pod uwagę nie tylko fizyczny charakter odpadu, lecz również charakter połączeń chemicznych, które powinny ulec rozpadowi, a produkty rozpadu winny się utlenić. Ważna jest tu również temperatura procesu oraz czas kontaktu, tzn. okres, w którym odpad znajduje się w korzystnym dla jego unieszkodliwiania obszarze temperaturowym przy odpowiednim składzie fazy gazowej. Ważny jest też charakter stałej pozostałości, niedopału i popiołu. Emisja pyłów może bowiem prowadzić do wtórnej syntezy substancji szkodliwych na powierzchniach ziaren [6–9].

Skład morfologiczny
Skład morfologiczny odpadów komunalnych jest w dużej mierze uzależniony od regionu kraju i rodzaju aglomeracji. Odpady pochodzące z uprzemysłowionej, zurbanizowanej części kraju morfologicznie znacznie się różnią od odpadów z obszarów wiejskich czy małomiasteczkowych. Niezależnie od tych czynników można jednak z całą pewnością przyjąć, że głównymi składnikami morfologicznymi odpadów, niezależnie od ich udziału masowego, są następujące substancje organiczne i nieorganiczne: 

• odpady ceramiczne, 
• odpady szklane, 
• odpady metalowe, 
• odpady drewna budowlanego, 
• odpady makulatury papierowej, 
• odpady makulatury kartonowej, 
• odpady tworzyw sztucznych, 
• odpady PVC, 
• odpady tekstylne, 
• odpady skórzane, 
• odpady gumowe, 
• odpady organiczne pochodzenia roślinnego,
• odpady organiczne mięsne, 
• odpady organiczne kostne, 
• brykiety z drewna mieszanego, 
• pelety z drewna mieszanego, 
• osady ściekowe.

Pierwsze trzy grupy, zawierające ceramiczne odpady budowlane, szkło oraz metale żelazne i metale kolorowe, są niepalne i powinny zostać bezwzględnie usunięte z ogólnej masy odpadów w procesie sortowania ręcznego i mechanicznego przed termiczną utylizacją. Obecność materiałów ceramicznych i szklanych zwiększa niepotrzebnie masę popiołu, który w zależności od stosowanej technologii i składu morfologicznego utylizowanych odpadów może być zaliczany do odpadów, powiększając w ten sposób masę odpadu, który podlega dalszemu procesowi utylizacji.

Odpady ceramiczne i szklane są również częstą przyczyną awarii urządzeń kotłowych i urządzeń odpopielania – rusztów i urządzeń do transportu popiołu. Segregacja i odseparowywanie materiałów niepalnych ze strumienia utylizowanych odpadów jest więc czynnością niezbędną z ekonomicznego punktu widzenia oraz ze względu na eksploatację i niezawodność działania instalacji.

Pozostałe substancje to odpady palne organiczne i nieorganiczne. Powinny podlegać segregacji gabarytowej z uwagi na wielkość urządzeń transportujących oraz urządzeń procesu suszenia i procesu termicznego rozkładu. Zmniejszenie wymiarów gabarytowych, szczególnie drewna budowlanego, powoduje wzrost gęstości nasypowej i znaczne obniżenie objętości urządzeń technologicznych instalacji.

Dodatkowym rozwiązaniem problemu może być rozdrobnienie odpadów do takich rozmiarów, aby mogła nastąpić paletyzacja, brykietyzacja lub zagęszczenie do postaci kęsów o rozmiarach nie większych niż 120 mm. Sprasowanie odpadów jest najbardziej ekonomicznym i ekologicznym rozwiązaniem dostarczenia odpadów ze składowiska do instalacji termicznej utylizacji. 

Powstałe w wyniku procesu rozdrobnienia i prasowania formowane alternatywne paliwo energetyczne (FAPE) ma w zależności od rodzaju substancji i stopnia sprasowania gęstość nasypową (Dr n) w granicach 400–600 kg/m3 oraz wilgotność (Wr) 5–15%. Jest to gęstość dwukrotnie większa niż odpadów luźno ułożonych, a wilgoć 3–4-krotnie mniejsza niż materiału surowego. Sortowanie i prasowanie odpadów pozwala uzyskać wysokokaloryczne paliwo energetyczne FAPE, a z drugiej strony umożliwia usytuowanie instalacji do termicznej utylizacji odpadów w środowisku bardzo zurbanizowanym, ale mającym możliwość odbioru wytworzonej energii cieplnej.

W instalacji utylizowane mogą być również osady ściekowe. Powinny zostać uprzednio poddane procesowi naturalnego odsączenia na lagunach w oczyszczalni ścieków lub odwodnione mechanicznie w wirówkach czy prasach. Częściowo pozbawiony wody osad ściekowy może być również poddany procesowi termicznej utylizacji samodzielnie albo spalony w dowolnych proporcjach masowych wraz z FAPE pochodzącym z odpadów lub łącznie z biomasą.

Właściwości składników odpadów, osadów i biomasy

Własności fizykochemiczne podstawowych składników morfologicznych odpadów komunalnych podano w tab. 1. Dla celów porównawczych podano tam również własności fizykochemiczne biomasy pochodzącej z drewna oraz osadów ściekowych z oczyszczalni ścieków GOS w Łodzi. Parametrami, które w decydujący sposób wpływają na proces zapłonu substancji palnej, jest zawartość wilgoci i popiołu. Zawartość wilgoci, sposób rozmieszczenia i struktura fizyczna substancji mineralnej ma natomiast duży wpływ na szybkość termicznego rozkładu i wydzielania gazów pirolitycznych.

Pomijając różne częste odstępstwa, można stwierdzić, że wzrost zawartości wilgoci i substancji mineralnej prowadzi do zwiększenia czasu zapłonu substancji palnej. Rozpatrując zawartość wilgoci i popiołu w przedstawionych w tab. 1 składnikach morfologicznych odpadów, należy zwrócić uwagę na bardzo duży rozrzut, szczególnie zawartości wilgoci – w dostarczonej próbce wahała się od 0,68 do 28,45%. 

Zawartość wilgoci roboczej jest ściśle uzależniona od strukturalnej budowy fizycznej danej substancji. Wilgoć robocza (Wr), a szczególnie wilgoć przemijająca (Wp) jest bowiem ściśle związana z wilgotnością analityczną (Wa), która jest fizyczną cechą danej substancji. Wilgotność osadów ściekowych w stanie dostarczonym (roboczym), przytoczona jako punkt odniesienia, jest bardzo wysoka i sięga 78,12%, natomiast wilgotność brykietu i pelet pochodzących z drewna, które w stanie luźnym ma wilgotność (Wr) ok. 40–60%, po sprasowaniu osiąga wartość rzędu 9,62–11,84%.

Zawartość wilgoci w materiałach o bardzo dużej nasiąkliwości można znacznie zmniejszyć dzięki prasowaniu. Proces ten w istotny sposób obniża balastową zawartość wilgoci w paliwie i poprawia wartość energetyczną danej substancji, czego wskaźnikiem jest wartość opałowa (Qr i).

Składnikiem paliwa, który decyduje o czasie całkowitego wypalania danej substancji, jest karbonizat (Kr), pozostający po odgazowaniu danej substancji. Ilość karbonizatu i jego struktura fizykochemiczna (skład chemiczny i sposób ułożenia siatek krystalicznych węgla) decydują o szybkości wypalania się danego składnika morfologicznego. Czas wypalania poszczególnych struktur morfologicznych wpływa bowiem na strukturę złoża wypalonych odpadów (o ile są one wypalone w złożu, np. na ruszcie). Struktura złoża wpływa na powstałą stratę kominową (Sk) oraz stratę niecałkowitego spalania w żużlu (Snż).

Pozostałość karbonizatu (Kr) po procesie odgazowania jest więc bardzo ważną cechą fizykochemiczną składników morfologicznych, które w bardzo istotny sposób wpływają na sprawność termiczną oraz sprawność ekologiczną procesu termicznej utylizacji. Zmniejszenie sprawności termicznej wynika ze zwiększenia straty kominowej (Sk) i straty niecałkowitego spalania (Sn), a pogorszenie sprawności ekologicznej ze wzrostu zawartości koksiku (C) w żużlu i popiele.

Zawartość karbonizatu jako pozostałości po odgazowaniu jest w bardzo dużej mierze uzależniona od rodzaju morfologicznego odpadów. Najmniejszą ilość karbonizatu uzyskuje się w wyniku odgazowania substancji organicznych pochodzących z mięsnych odpadów zwierzęcych (Kr = 3,85%), z makulatury (3,18–5,23%) oraz osadów ściekowych (3,57%). Największe ilości karbonizatu powstają przy odgazowaniu odpadów pochodzących z PVC (27,48%) oraz z odpadów skórzanych (32,84%) i gumowych (46,15%).

W karbonizacji oprócz pierwiastka C występują inne pierwiastki, które wchodzą w skład substancji mineralnej. Pierwiastki te impregnują substancje układów krystalitów węglowych, z reguły znacznie spowalniając proces wypalania ziaren karbonizatów. Oprócz różnych zawartości składników balastowych (Ar, Wr) występują też dość znaczne różnice w składzie elementarnym substancji organicznej. 

Zawartość pierwiastków C, H i O, od których przede wszystkim zależy wartość ciepła spalania (Qc), zmieniają się w dość szerokim zakresie, co powoduje znaczne fluktuacje intensywności wydzielania się ciepła w poszczególnych fazach procesu spalania. Jest to przyczyną występowania znacznych spiętrzeń temperaturowych w fazie spalania gazów pirolitycznych prowadzących do przekroczenia dopuszczalnych temperatur mięknienia i spiekania popiołu oraz zatapiania niespalonych części odpadów w aglomeratach substancji żużlowej.

Poszczególne składniki morfologiczne odpadów komunalnych w bardzo istotny sposób różnią się między sobą zarówno składem chemicznym, jak i fizyczną budową strukturalną. Różnice te są tak istotne z chemicznego i fizycznego punktu widzenia, że praktycznie nie można dokonać żadnych merytorycznych porównań i szukać wspólnej platformy odniesienia. Budowa fizykochemiczna poszczególnych gatunków morfologicznych odpadów nakazuje traktować je jako odrębne strukturalne substancje, które mają podlegać procesowi termicznego przekształcania. 

Część 2 w RI 12/2011

Literatura

1. Bernacka J., Pawłowska L., Zagospodarowanie i wykorzystanie osadów z miejskich oczyszczalni ścieków. Wybrane problemy, IOS, Warszawa 1994.
2. Siuta J., Problemy i program gospodarowania osadami ściekowymi w oczyszczalni ścieków w Częstochowie, materiały na seminarium naukowo-techniczne „Przyrodnicze użytkowanie osadów ściekowych”, Warszawa, październik 1994.
3. Siuta J., Pawłowska L., Wytyczne do przyrodniczego zagospodarowania osadów z oczyszczania ścieków komunalnych i komunalno-przemysłowych, IKŚ, Warszawa 1980.
4. Kempa E., Przyszłościowa gospodarka osadami, materiały konferencji naukowo-technicznej „Problemy gospodarki osadowej w oczyszczalni ścieków”, Częstochowa 1993.
5. Karcz H., Butmankiewicz T., Andryjowicz C., Sposób i instalacja termicznej utylizacji osadów ściekowych.
6. Peters W., Kinetik heterogenez Reaktionen bei der Verbrennung fester Brennstoffe. VDI Berichte nr 146/1970.
7. Loison R., Chauvin T., Pyrolise rapide du charbon, „Chimie et Ind.” No. 91/1964.
8. Badzioch S., Hawksley P.G.W., Kinetiks of Thermal Decomposition of Pulverized Coal Particles, „Ind. Eng. Chem. Process Des Dev” Vol. 9, No. 4/1970.
9. Nsakala Ya Nsakala, Essenhight R.H., Walker P.L. Jr., Studies on Coal Reactivity: Kinetics of Lignite Pyrolysis in Nitrogen at 800°C, „Combustion Science and Technology” Vol. 16/1977.
10. Pająk T., Spalanie odpadów komunalnych – potrzeby, realia, perspektywy budowy. Termiczne unieszkodliwianie odpadów. Restrukturyzacja procesów termicznych, praca zbiorowa pod redakcją J.W. Wandrasza, Wyd. Futura, Poznań 2007.
11. Ściążko M., Zawada J., Pronobis M., Zalety i wady współspalania biomasy w kotłach energetycznych na tle doświadczeń eksploatacyjnych pierwszego roku współspalania biomasy na skalę przemysłową, „Energetyka i Ekologia” nr 2/2006.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!