Technológia vysokoteplotného splyňovania s asistenciou plazmy

Energia z odpadu  /  Waste to Energy

 

        Spoločnosť SPV Dálovce, s.r.o. sa rozhodla využiť pre svoj zámer získavanie energie z obnoviteľných zdrojov - z odpadu, práve technológiu vysokoteplotného splyňovania s asistenciou plazmy, ktorá je už vo svete overená z hľadiska vplyvov na životné prostredie a ktorá je komerčne samostatná.   

Stručné porovnanie  inovatívnej technologie s využitím plazmy a  štandardnej spaľovne:

Prečo práve technológia plazmového splyňovania: 

        Vývojom nových a novších technológii v spracovateľskom priemysle prichádzajú vývojové skupiny s novšími  a novšími materiálmi,  ktoré sa stali súčasťou nášho bežného života. Väčšinou ide o materiály, ktoré sa v prírode nevyskytujú a sú vyrobené pre nejaký konkrétny spotrebný zámer. To znamená, že predmety vysokej úžitkovej hodnoty sa zo dňa na deň stávajú odpadom a nastáva problém. Ako zneškodniť náročne vyrobené materiály, ktoré jednoducho splnili svoju úlohu, stali sa nepotrebnými, ale svojimi vlastnosťami vydržia stáročia?  Sú to pritom predmety bežnej spotreby ako napr. plastové nákupné tašky, hračky, domáce spotrebiče, kancelárske potreby, rôzne druhy oblečenia, topánky,  použité jednorazové plienky ..... Takéto nové materiály si vyžadujú nové technológie,  nové, náročnejšie spôsoby na ich rozklad, recykláciu a na ich zhodnotenie. Na takýto rozklad sa v súčasnosti považuje ako najvhodnejšia, najúčinnejšia a najefektívnejšia technológia vysokoteplotného splyňovania v plazmovej komore.  Môžeme to nazvať aj recyklácia -  v zmysle definície - recyklácia je opätovné zhodnocovanie materiálov, ktoré boli už na nejaký účel použité a stal sa z nich odpad. 

        Proces vysokoteplotného zhodnotenia odpadu plazmovou technológiou posúva hranice nakladania s odpadom a odpadového hospodárstva do hospodárstva s energiami a do sveta energetických technológií. Prekonáva iné riešenia, a to ako z hľadiska ochrany životného prostredia a tak aj z hľadiska elektrickej účinnosti. Inovatívna kombinácia zavedených konverzných technológií splyňovania a plazmového oblúka umožňuje vysoko efektívnu výrobu veľmi čistého syntézneho plynu, ktorý je základným komponentom pre efektívnu výrobu energie pomocou plynových motorov a turbín, a pre ďalšie aplikácie.

Plazmová technológia ponúka celý rad jedinečných výhod oproti konvenčným zariadeniam na tepelné spracovanie odpadu. 

Zariadenie, ktoré je predmetom nášho Zámeru: (veľmi skrátený popis):

 

 

Splyňovanie komunálneho odpadu , ktoré bolo realizované rôznymi spôsobmi, a teda aj plazmovou technológiou, začalo byť využívané najskôr v Japonsku, kde nedostatok miesta pre skládkovanie odpadu, ich donútil hľadať alternatívy. (V Japonsku je skládkovanie zakázané). V Japonsku prevádzkujú viaceré komerčné zariadenia na spracovanie komunálneho odpadu  splyňovaním plazmovou technologiou, napr. zariadenie Hitachi a Mitsubishi v meste Utashini. Jedno z nich spracováva komunálny odpad a druhé staršie nemocničný odpad s vysokým obsahom kovov a PVC z infúznych súprav. Viaceré analýzy naznačujú, že splyňovanie plazmovou technologiou  sa ukazuje ako lepšia alternatíva v porovnaní s roštovým spaľovaním, čo zvyšuje konkurencieschopnosť tejto metódy. 

Hlavným dôvodom je fakt, že splyňovanie plazmovou technológiou rozkladá organické časti odpadu na syntézny plyn (po vyčistení CO, CO2, H2O, H2), ktorý je možné následne oveľa čistejšie spaľovať ako je to v prípade pôvodnej suroviny. Zloženie tejto zmesi je možné regulovať viacerými mechanizmami a to: množstvom privádzaného kyslíka (vznik primárneho CO a CO2), teplotou (vznik vodíka z vodnej pary parným reformingom), množstvom pomocného koksu (vznik sekundárneho CO). Čistotu tejto zmesi je možné zabezpečovať environmentálnymi  zariadenami. Otimálnou metódou na dosiahnutie čo najlepších parametrov syntézneho plynu poskytuje systém využívajúci oblúkovú plazmu.

(Poznámka autora: Plazma je vysoko ionizovaný plyn, zložený z nabitých častíc a to predovšetkým elektrónov, kladných a záporných iónov ako aj neutrálnych atómov a molekúl, z ktorých niektoré sú v excitovanom prípadne metastabilnom stave. Keďže plazma vzniká ionizáciou plynu často sa jej hovorí štvrté skupenstvo hmoty. Vo vesmíre tvorí plazma majoritnú formu hmoty. Plazma vďaka vysokému podielu nabitých častíc je elektricky vodivá.

Dosiahnutie stavu, kde podiel nabitých častíc je vysoký, sa v pozemských podmienkach spravidla realizuje pomocou elektrického oblúkového výboja. Plazma získaná oblúkovým výbojom sa vyznačuje tým, že je tzv. nerovnovážna čo znamená, že teplota elektrónov je rádovo vyššia (desiatky až stovky tisíc °K) ako teplota ťažkých častíc (atómy, molekuly, ióny, excitované a metastabilné častice, ktoré dosahujú tisícky °K). Elektróny v procese zabezpečujú predovšetkým degradáciu (rozklad) materiálu nárazom a ťažké častice degradáciu tepelnými efektami. V dôsledku týchto skutočností môžu zariadenia na báze elektrickej plazmy efektívne rozkladať všetky typy odpadov. Z environmentálnych a bezpečnostných dôvodov sú vylúčené rádioaktívne materiály bez tomu zodpovedajúcej úpravy systému tienenia rádioaktívneho žiarenia.)

Technológia vysokoteplotného splyňovania s asistenciou plazmy

"Plazmové spracovanie odpadu je spracovanie pri veľmi vysokej teplote elektrónov a pomerne vysokom stupni ionizácie a tým aj teploty nabitých častíc, kedy hmota vytvára tzv. 4. skupenstvo - neizotermickú nerovnovážnu plazmu. Dominantným procesom sú nárazy elektrónov, čím nastáva degradácia odpadu. Paralelne sa uplatňuje aj ďalší proces tzv. termo chemická degradácia. Oboma procesmi sa odpadný materiál postupne mení na jednoduché molekuly (tzv. energoplyn obsahujúci CO, H2, CH4, uhľovodíky C2-5) a súčasne sa rozkladajú zložité chemické štruktúry, ktoré sú inou cestou nerozložiteľné na kvapalný uhľovodíkový produkt. Plynné a kvapalné degradačné produkty sa uskladňujú v rezervoároch a následne využijú.

        Nosný plyn v zariadení na realizáciu tohto procesu (elektrickom plazmatróne) je argon. V dôsledku toho nedochádza k oxidácii minerálneho podielu odpadu vrátane ťažkých kovov. Väčšina ťažkých kovov sa taví pri pomerne vysokých teplotách a v prípade plazmatrónu sa stáva súčasťou sklovitej, vo vode nerozpustnej hmoty. Ako dobre známi príklad, že z tejto sklenej hmoty sa nevylúhujú kovy, je nasledovný: Krištáľové sklo, z ktorého pijeme napr. whisky, je vyrobené z olovnatého skla s podielom olova viac ako 8%. Napriek tomu sa olovo do našej whisky nedostáva. Pri výrobe tohto skla sa využíva elektrický oblúk rovnako ako v prípade nami navrhovaného systému nakladania s odpadom. Doma používaná plazma je napr. zváračka, a nikto nemá obavy, že s ňou vybuchnú.

        Ak sa však ťažké kovy oxidujú, čo sa deje pri spaľovaní odpadu, vznikajú z ťažkých kovov ich oxidy, ktoré sublimujú a stávajú sa exhalátmi. Ako príklad molybdén sa taví pri 2850°C a jeho oxid MoO4 sublimuje pri 450°C. Z tohto dôvodu sú systémy nevyužívajúce spaľovanie, ale bezkyslíkaté metódy environmentálne vhodnejšie. Konečná sklovitá hmota je riadne certifikovaná v EU ako stavebný materiál (Plasmarok®) a z toho vyplýva že je využiteľná v stavebníctve. 

Keďže systém na ohrev využíva elektrickú energiu je ho možné bez problémov kedykoľvek prerušiť. Z tohto dôvodu bude spracovávať iba toľko odpadu, koľko je v reálnom čase k dispozícii. Preto je pomerne široký interval množstva odpadu, čo neznamená, že sa odpad bude dovážať, aby nebolo potrebné proces zastaviť, ale že v prípade potreby,  napríklad keď je po povodniach veľké množstvo odpadu, je schopný krátkodobo fungovať aj výkonnejšie.

        Dusík potrebný na degradačný proces sa získava frakčnou destiláciou skvapalneného vzduchu. Okrem dusíka sa pri tomto procese vytvára aj kyslík. Kyslík sa neskôr využije pri procese kogenerácie elektrickej a tepelnej energie. Ako palivo sa v tomto procese využije vyčistený energoplyn a uhľovodíková kvapalina, obe vytvorené v zariadení na degradáciu odpadu. Oba materiály sú uskladňované v rezervoároch a teda existuje rezerva, ktorá umožňuje nezávislý chod elektrinu produkujúceho zariadenia od aktuálneho chodu zariadenia na nakladanie s odpadom. Keďže zariadenie na výrobu elektrickej energie nebude používať na spracovanie vzduch, ale čistý kyslík nebudú vznikať oxidy dusíka a teda nebude potrebné denitrifikačné zariadenie, ktoré je mimoriadne nákladné.

        Inými dostupnými technológiami nakladania s odpadmi sa spravidla len mení ich úžitkový tvar, ale nie ich zloženie (napr. ftaláty, plasty sa drvia na rôzne granuláty a tvoria sa z nich iné nerozložiteľné predmety napr. autokoberce, plastové lavičky, ktoré po istom čase budú opäť nepoužiteľné, teda problém sme len posunuli, no nevyriešili). V plazmovom systéme získame jednoduché chemické zlúčeniny obsahujúce pôvodné prvky – uhlík, kyslík vodík a iné atómy, z ktorých môžeme vytvárať vopred určené produkty, napr. sa získava syntézny plyn, etanol, vitrifikovaná struska a kovy. Za súčasnej energetickej situácii sa diverzifikovanie energetických zdrojov ukazuje ako extrémne dôležité. Využívanie takejto technológie má celospoločenský význam, keďže ako zdroj energie využíva odpad, niečo, čo je produkované ako nežiaduca, ale nevyhnutná súčasť ľudskej činnosti. Odpad je teda  niečo, do čoho bol vložený materiál a energia, ktorú spätne vieme získať práve technológiou plazmového splyňovania. Žiadna iná známa technológia nezískava energiu a pôvodné vstupné prvky z odpadu a tým je jedinečná.

        V predmetnom zariadení neprebieha proces  spaľovania (ako nosný plyn používa argón a nie vzduch), ide o úplne iný proces ako pri spaľovacích zariadeniach. Zariadenie principiálne nemôže použiť vzduch, došlo by k rýchlej degradácii katódy zariadenia. Pre spresnenie terminológie spaľovanie je oxidácia a tá nie je možná bez externého kyslíka. Spaľovanie je teda proces za prítomnosti kyslíka, čím vzniká celý rad exhalátov súvisiacich s kyslíkom (SOX, NOX, dioxíny, oxidy kovov), ktoré sú známe z dostupných štúdií a meraní. To je zásadný rozdiel. Žiaľ v dôsledku nedostatku vedomostí v oblasti fyziky plazmy ako aj procesov pyrolýzy v prípade administratívnych pracovníkov sa spaľovanie, pyrolýza, elektrické systémy dostali v niektorých štátoch do jednej skupiny, a to predovšetkým v dôvodu vysokej teploty a nie chemizmu procesu.

Plazmové spracovanie je uzavretý cyklus bez spalín pochádzajúcich z nakladania s odpadom a tým bez nežiaducich vedľajších produktov.

        Technológia plazmového splyňovania komunálnych odpadov predstavuje z hľadiska vplyvov na ovzdušie jednu z hlavných výhod proti spaľovaniu odpadov v spaľovniach. Emisie u technológie plazmového splyňovania v spojení s kombinovanou výrobou elektriny a tepla nie sú ako u bežných spaľovní. To platí aj v prípade dioxínov. Zatiaľ čo v prípade bežných spaľovní komunálnych odpadov sú dioxíny čistené z výstupných spalín, proces plazmového splyňovania vo svojej podstate predchádza ich tvorbe. Vysoká prevádzková teplota v spojení s nízkou úrovňou kyslíka (nachádza sa iba kyslík nachádzajúci sa v odpade samotnom) nevznikajú dioxíny a furány a to aj vtedy keď zloženie odpadu by mohlo vytvoriť podmienky na ich vznik v inom type procesu.

        Pri procese plazmového splyňovania odpadu nevznikajú klasické zvyšky ako zo spaľovania. Vedľajším produktom pri procese plazmového splyňovania odpadu je sklovitá troska, ktorá, ako sme opísali vyššie,  predstavuje inertný nevylúhovateľný materiál. Táto skutočnosť bola potvrdená radom testov, ktoré boli vykonané nezávislými laboratóriami. Výsledky ukazujú, že zložky trosky sú pod detekčnými hranicami analytických metód a troska je teda považovaná za nevylúhovateľnú. Celková vznikajúca troska je používaná v stavebníctve. Z celkového množstva zmesového komunálneho odpadu spáleného v klasickej spaľovni musí byť uložené na skládku 25 - 40 % vstupného materiálu. Aplikáciou technológie plazmového splyňovania je možno toto množstvo znížiť na iba 2 - 4 %.  Nikdy pritom nejde o nebezpečný odpad ale o už popísanú, komerčne využiteľnú trosku. 

Výhody plazmovej technológie sú nasledovné:

•    metóda je aplikovateľná pre široký okruh kontaminantov,

•    predstavuje účinnú metódu na odstránenie PCB, dioxínov a pesticídov,

•    vzniknutý odpad (voda, plyn) nevyžaduje dodatočné čistenie,

•    celkový objem vznikajúcich emisií je porovnateľný so spaľovaním zemného plynu, a preto je prostredie menej zaťažené emisiami,

•    transfer tepla v systéme s plazmou je rýchlejší ako pri štandardných termických metódach,

•    spracovanie plazmovou technológiou má veľmi krátky cyklus od začatia po skončenie sanácie.

.     vedľajší produkt - sklovitá troska  je nevylúhovateľná a stála. Má široké využitie predovšetkým v stavebníctve. 

       Termické sanačné metódy s použitím plazmy vyžadujú relatívne vysoké investičné náklady.  Rovnako náročná je aj príprava realizácie takéhoto projektu, ako z časového, tak aj z finančného hľadiska.

        Navrhovaný systém patrí k najdokonalejším možnostiam súčasnej technológie, nie je lepšia možnosť na riešenie problematiky stále narastajúceho množstva odpadu.

Spaľovne:

        Závody, ktoré získavajú energiu z odpadu, sú založené na spaľovaní komunálneho odpadu a následne výrobe pary s cieľom vyrábať elektrickú energiu a prípadne recyklovať kovy. Najbežnejším typom zariadenia sú roštové kotle na spaľovanie odpadu. V niektorých závodoch je odpad rozdrobený (potrhaný na kúsky) a čiastočne roztriedený. Slúži to na separáciu niektorých kovov, skla a pod. už v prvom stupni procesu. Následne v druhom stupni sa realizuje tzv. frakcionalizácia horľavých zložiek pred vstupom do samotného spaľovacieho kotla.

Pri procese premeny odpadu na energiu spaľovacím spôsobom sa odpad dovezie nákladnými autami z miest a obcí a znesie sa do veľkého uzatvoreného priestoru, kde sa môže zdržiavať po dobu približne desať dní, odtiaľ sa odoberá ako surovina do spaľovacieho procesu.

Odpad môže byť buď priamo spracovaný v spaľovacej komore, alebo môže byť najprv pomletý a podrvený na menšie časti kvôli lepšej manipulovateľnosti. Odpad je potom naberaný pomocou žeriavov na pohyblivý pás, ktorým sa dodáva surovina do spaľovacej komory, v ktorej sa nachádza pohyblivý rošt.

Odpad je spaľovaný pri pomerne vysokej teplote, za prítomnosti kyslíka, zvyčajne okolo 1 000 .°C Po spaľovaní prechádzajú spaliny cez výmenník na výrobu pary a potom sú prečisťované v tzv. systéme kontroly znečistenia vzduchu (APC – Air Pollution Control).

Popolček zo spodnej časti kotla prepadáva cez rošt a prechádza magnetickým separátorom, aby sa zachytili železné materiály a niekedy prechádza cyklónovými filtrami na zachytenie nekovových materiálov, ktoré by mohli byť recyklované.

Teplo, ktoré sa uvoľní pri spaľovaní komunálneho odpadu, je použité na výrobu pary a následne táto para prechádza cez turbínový generátor na výrobu elektrickej energie, ktorá je dodávaná do elektrickej siete.

V procese spaľovania vzniká viacero znečisťujúcich látok, medzi ktoré patria predovšetkým

·         oxidy dusíka a síry,

·         mikročiastočky ortute a kadmia,

·         dioxíny a furány,

·         polycyklické aromatické uhľovodíky,

·         polychlorované bifenyly,

·         oxidy uhlíka CO a CO2.

Uvedené skutočnosti znamenajú potrebu inštalácie pomerne zložitých environmentálnych zariadení a tým pádom potrebu pracovníkov s vyšším vzdelaním. Enviromentálne zariadenia predstavujú investične náročnú časť systému.

Dnes je aj takýto systém spracovania odpadu značne vylepšený a doplnený o množstvo prídavných zariadení aby bol schopný splniť európske limity pre Životné prostredie. Je vhodný pre menšie mestské aglomerácie s nie príliš rozvinutým priemyslom.

 

 

Z uvedeného je zrejmé, že porovnaním spaľovní a plazmových splyňovacích zariadení, sú úplne rozdielne ako v prevádzkovom procese, tak aj v ich výstupe.  Zásadný a významný rozdiel je popísaný vyššie."(doc. RNDr. M.Morvová, PhD.)

 

SPV Dálovce Team