Energie z odpadů II

Pyrolýza – úvodní představení

Pyrolýza představuje materiálově energetické využití odpadů a produkuje kvalitní energetický plyn, který je použitelný pro decentralizovanou výrobu tepla a elektrické energie v kogenerační jednotce.

Pyrolýza (řecky pýr = oheň, lysis = rozpuštění) je fyzikálně-chemický děj, řadící se do relativně široké skupiny termických procesů. Termickými procesy jsou v praxi míněny technologie, které působí na odpad teplem za teploty, jež přesahuje mez jeho termické stability. Tato obecná definice zahrnuje velmi široké rozmezí teplot používaných v jednotlivých technologiích (300 – 2000 °C), přičemž není brána v úvahu chemická povaha probíhajících dějů. Z tohoto důvodu mohou být termické procesy dále děleny do dvou kategorií, a to na:

1. procesy oxidativní - v reakčním prostoru je obsah kyslíku stechiometrický nebo vyšší vzhledem ke zpracovávanému materiálu (nízkoteplotní a vysokoteplotní spalování),
2. procesy reduktivní - v reakčním prostoru je obsah kyslíku nulový nebo podstechiometrický (pyrolýza a zplyňování).

K tomuto rozdělení je však třeba dodat, že některé, zejména zplyňovací procesy, nepoužívají jako oxidační médium molekulární kyslík, ale jiné oxidanty, především CO₂ a H₂O.

Pyrolýzou je míněn termický rozklad organických materiálů za nepřístupu médií obsahujících kyslík. Podstatou pyrolýzy je ohřev materiálu nad mez termické stability přítomných organických sloučenin, což vede k jejich štěpení až na stálé nízkomolekulární produkty a tuhý zbytek. Z technologického hlediska pyrolýzu dále dělíme dle dosahované teploty na: nízkoteplotní (< 500 °C),

• středněteplotní (500 - 800 °C),
• vysokoteplotní (> 800 °C).

Většina v současné době provozovaných pyrolýzních systémů je založena na termickém rozkladu odpadu v rotační peci vytápěné zevně spalinami, které vznikají z následného spalování pyrolýzních plynů v tzv. termoreaktoru. Pyrolýzní jednotky bývají vhodné pro šaržovitý provoz pro odpad, který nemá příliš vysoký obsah škodlivin a nemá tendenci ke spékání. Zbytek energie ze spálení plynů, která se nespotřebuje na ohřev vsázky, se využívá v kotlích na odpadní teplo k výrobě páry nebo teplé užitkové vody. Jiný, modernější přístup, předpokládá využití pyrolýzního plynu jako chemické suroviny nebo jako topného plynu např. pro motory kogeneračních jednotek.

Dříve relativně skeptický pohled na možnosti materiálového a energetického využití pyrolýzních produktů se v posledních letech dosti podstatně mění. Příkladem může být velký rozvoj technologií zpracovávajících převážně odpadní biomasu v USA. Rozvíjí se mimo jiné zpracování odpadního dřeva a dalších dříve sládkovaných substrátů, čímž se rozšiřuje rozsah užitých zdrojů. Stoupá též zájem o energetické využívání chlévské mrvy a kejdy, protože se zpřísňují předpisy zajišťující ochranu zemského povrchu a spodních vod před znečištěním. Technologie, které na základě rychlé pyrolýzy vyrábějí vysoce kvalitní pyrolýzní olej (většinou z dřevních pilin), se už dostaly v posledních létech na komerční úroveň. Ačkoli hlavní upotřebení kvalitního dřevního oleje je v oblasti biochemie, probíhá výzkum jeho užití i jako náhradního paliva, např. po úpravě pro pohon pomaloběžných lodních a podobných velkoobsahových dieselových motorů nebo spalovacích turbín. Některé společnosti dodávají na trh malé agregáty na využívání zplynované práškové biomasy s výkonem 12 až 400 kW určené především pro rozvojové země. Několik výrobců dodává malé spalovací turbíny s výkony o rozsahu 30 až 75 kW. Tyto mikroturbíny jsou miniaturními spalovacími turbínami, jejichž rychloběžná rotační součást se pohybuje na vzduchových ložiskách.

První vlaštovka na Moravě

Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava vyvinula speciální zařízení na zpracování odpadu. Ze starých pneumatik nebo plastů, které by skončily na skládce, umí vyrobit elektřinu a teplo. Takzvaná pyrolýzní jednotka je v Česku unikátem patentovaným Evropskou unií i Spojenými státy. V budoucnu by ji mohly využívat například malé obce jako místní zdroj elektřiny či vytápění. ČTK to řekl vedoucí projektu a profesor VŠB-TUO Václav Roubíček.

Klastr Envicrack sdružuje více než dvě desítky firem zejména ze severní Moravy, ale i Polska a Slovenska. Významným členem klastru je VŠB - Technická univerzita v Ostravě. Aktivní členové klastru vyvíjejí společně s VŠB již několik let technologii pro zpracování odpadů prostřednictvím pyrolýzy s následnou výrobou elektrické energie a tepla. Manažer klastru Mgr. Petr Nemeth říká: »Pyrolýzní jednotka, která je ve stadiu testování prototypu, by mohla do značné míry řešit problém odpadních plastů i vysloužilých pneumatik. Jedná se o progresivní způsob získávání energie, přičemž nemalou výhodou je možnost zpracovávat celou řadu organických odpadů, také dřevní štěpku, seno, tříděný odpad, pneumatiky, nemocniční odpady, nebo kaly. Uvažujeme také o kopyrolýze fosilních paliv, která nejsou vhodná pro energetické účely a kterých jsou dostatečné zásoby.“ (měsíčník Odpady ze dne 17.6.2008 "Pyrolýzní jednotka pro plasty už není jen teorií")

Samotný princip pyrolýzy byl znám již koncem 18. století a je používán například u výroby dřevěného uhlí nebo při koksování. Produktem pyrolýzního rozkladu organických látek je vždy plyn, kapalná fáze a tuhý uhlíkatý zbytek, které jsou všechny surovinami pro další zpracování nebo využití. Poměr jednotlivých fází závisí na složení zpracovávaných materiálů a dá se do jisté míry ovlivnit samotným procesem (regulace teploty a tlaku v čase).

Kapalná fáze obsahovala na sto druhů různých zkondenzovaných uhlovodíků. Plynná fáze, která je z hlediska dalšího zpracování nejzajímavější, měla v případě pneumatik výhřevnost přes 26 MJ/m³, u plastů to bylo 23 MJ/m³. Z technologického i environmentálního hlediska je nejvhodnější pyrolýza samotných pneumatik, kterou lze provádět za nižší reakční teploty (480 - 520 °C), s kratší dobou zdržení, vyšším výnosem oleje a vyšším výnosem aromatických chemikálii - zvyšuje se oktanová hodnota oleje, ze kterého se dají vyrábět další výrobky: pyronafta, rozpouštědla, mazadla, změkčovadla.

Evropská legislativa nezná pyrolýzu ani zplyňování

Při navrhování zařízení a jeho zabezpečení se není čím řídit, nebyl nalezen dokument popisující nejlepší dostupné techniky pro pyrolýzní jednotky. Nejsou ani uvedeny mezi vyjmenovanými zdroji podle NV č. 615/2006, o stanovení emisních limitů stacionárních zdrojů. Lze se poněkud opřít o BAT pro koksovny.

Potíže však nejsou jen při hledání BAT technologií, ale i na úřadech – pro potřeby povolování je nutné definovat zařízení. Úředníci považují i pyrolýzu za spalování, technologie je pak obtížně schválitelná, protože na ni kladou nároky jako na spalovnu.

Průmyslová aplikace pod názvem PYROMATIC byla projektována na 50 – 100 kg tříděného odpadu za hodinu. Spolehlivě však zvládá zpracovávat 150 kg hodinově. Následující připravovaná aplikace je projektována na energetické využití 500 kg vesměs plastového tříděného odpadu. Po naplnění je násypka hermeticky uzavřena a propláchnuta inertním plynem argonem, aby byl vytlačen zbytkový kyslík. Pro potřeby laboratorních zkoušek se zatím používá argon. K průmyslovému použití je však nutné najít levnější řešení. V den mojí návštěvy po dopravníku paliva putovaly vysloužilé platební karty. Z takto upravených platebních karet se již nic vybrat nedá, přesto poskytují kvalitní energoplyn.

Na vývoji pyrolýzy v Ostravě pracují téměř 10 let. Za tuto dobu se podařilo v praxi ověřit veškeré předpokládané závěry a připravit plán pro další vývoj. V návaznosti na získání dalších prostředků na vývoj bude postavena průmyslově použitelná aplikace o příkonu 500 kg tříděných odpadů hodinově. Stávající instalace, která je osazena řadou nejrůznějších čidel včetně kontinuální analýzy spalin i vyrobeného energoplynu, bude osazena kogenerační jednotkou pro společnou výrobu elektrické energie a tepla a bude sloužit jako testovací jednotka pro zkoušky složení a frakce nejrůznějších tříděných odpadů.

Na návštěvu stávající prototypové instalace se již dnes sjíždějí delegace z celého světa, jen o pár dnů jsem se minul s návštěvou z Ekvádoru i Vietnamu, která stávající aplikaci velice příznivě hodnotila. Při vakuové pyrolýze vzniká dominantní část plynných látek, ale také významný podíl kapalné frakce, která je složená až z dvou set různých uhlovodíků. Vzhledem k tomu, že jde o různě natrhané frakce nejrůznějších řetězců, které spolu vzájemně reagují a kondenzují, nelze kapalnou frakci považovat za palivo, protože její nestálost a těkavost je oproti hodnotě definující palivo dvojnásobná. Jedinou možností je tedy využití pro další rafinérské chemické zpracování, což s sebou přináší nemalé komplikace. Vývojovou devizou a unikátní myšlenkou ostravské firmy je modulové uspořádání celé pyrolýzní jednotky tak, aby nevznikala žádná kapalná ani pevná fáze, ale jen čistý energoplyn použitelný v kogenerační jednotce. Čištění energoplynu se již podobá rafinérskému způsobu, kdy je pro vykondenzování škodlivých látek ochlazován na nízkou teplotu a uvažuje se dokonce i o jeho vymrazování.

Vakuová pyrolýza - první vlaštovka v Čechách?

Společnost ELIAV, a.s., provádí ekologickou likvidaci autovraků. Při této činnosti se vytváří velké množství odpadů, jako jsou pneumatiky, plasty, molitan, atd., které je možné ještě dále zužitkovat ekologicky i energeticky vhodnou formou. Je tedy logické že v prostorách společnosti ELIAV, a.s. ve Velké Dobré u Kladna, bylo instalováno zařízení na energetické využití výše uvedených odpadů. Demonstrační a testovací jednotka pro termální depolymeraci uhlíkatých látek bez přístupu kyslíku v temperované retortě se za sníženého tlaku zplyňují látky obsahujících uhlovodíky.

Investice vložená do malé pyrolýzní jednotky s výkonem cca 250 kg druhotných surovin za hodinu, by se měla nejpozději do pěti let vrátit, což bylo jedním z důvodů pro instalaci demonstrační jednotky. Touto metodou je totiž možno kromě výše uvedených druhotných surovin ještě zpracovávat biomasu, hnůj, odpady z ČOV, část městských odpadů, likvidovat staré ekologické zátěže apod., a to vše bez ekologické zátěže okolí.

Model: SOG 77-177 Jmenovitý výkon 250 kg/hod vsázky (odpadu) Produkty: plyn, olej, uhlík, ocel z kordů.

Zařízení bylo primárně zakoupeno za účelem zpracování druhotných surovin (odpadů) vznikajících při ekologické likvidaci autovraků a jako demonstrační jednotka pro různé zájemce, kterým se bude předvádět zpracování různé vsázky a testování rozsah použitelnosti v procesu vzniklých produktů. Dalším záměrem je demonstrace energetického využití výstupních surovin na přidružené kogenerační jednotce.

Investiční záměr získal všechna potřebná razítka i kladné posudky, odpor místních obyvatel byl ovšem stejně veliký jako v případě výstavby té největší spalovny nebezpečného odpadu, což způsobilo delší držení.

Vakuová pyrolýza různých druhů odpadů

Vakuovou pyrolýzu se rozkládají také látky vzniklé jinak než polymerací. Odpady vhodné k pyrolýze nemusí obsahovat pouze uhlovodíky, ale stačí když obsahují organické látky jako např. dřevo. Se zřetelem na vznikající produkty pyrolýzu řadíme k materiálově-energetickému využití odpadu. Většina odpadů obsahujících uhlovodíky je vhodná, ne-li přímo předurčená k pyrolytickému zpracování v bezkyslíkovém prostředí a za sníženého tlaku. Pyrolýzní plyn vzniká jako nezkondenzovaný zbytek uhlovodíkových par a plynů vzniklých zplyněním v bezkyslíkové retortě. Plyn je vypírán před a v průběhu kondenzace, zbavován zbytků síry a ochlazován na okolní teplotu. V případě zpracování pneumatik je většinou využíván pro ohřev retort jako palivo nízkoemisních hořáků.

• Složení pyrolýzního plynu z pyrolýzy pneumatik (objemová %) : H₂ 12 %, CO₂ 5 %, O₂ 3,4 %, N₂ 10,7 %, CO 2,6 %, metan 32 %, etan 7 % , etylény 9 %, propan 2,5 %, propylén 7,6 %, ostatní 8,2 %,
• Hustota:1,2 kg/m³,
• Výhřevnost: 46,5 MJ/m³.

Pyrolýzní olej vzniká kondenzací retortových plynů a podle hustoty ho můžeme rozdělit na lehký, střední a těžký. Frakční destilací na rektifikační koloně lze získat dvě frakce olejů označovaných jako extra lehký topný olej (ELTO) a lehký topný olej (LTO). Oleje, které jsou srovnatelné s motorovou naftou, jsou velice žádanou surovinou, která může nahradit ropné produkty.

Vakuová pyrolýza se dále používá nebo se zkoumá její použití v několika zemích na různých kontinentech. Možnosti jejího použití jsou např. při těžbě a následné úpravě ropných písků v Albertě (Kanada), ale i pro odstraňování starých zátěží od kyselých gudronů (acid sludge), pozůstatků rafinování ropy apod.

Ve velkých teplárenských zdrojích a cementárnách je možné spoluspalování alternativního paliva s plynem nebo uhlím. Tento záměr existoval i v paroplynové elektrárně ve Vřesové.

Na semaforu příjezdové rampy pro navážení odpadů sice už několik roků svítí zelená, ale žádné auto nepřijíždí. Proč? Stejně jako evropská, ani naše legislativa nezná pojem zplyňování a veškeré snahy o takové pokusy řadí do kategorie spaloven odpadů, které podléhají zákonu o odpadech, jenž předepisuje, co všechno je nutné ve spalinách měřit. Kdo zaplatí zbytečné a velice nákladné měření? Z tohoto důvodu se v ČR žádné nové spalovny zatím nestaví.

Ve stavebně dokončené a připravené technologii SUAS ve Vřesové by bylo možné ročně zpracovat asi 150.000 tun Tuhého alternativního paliva TAP vyrobeného zpracováním tříděných komunálních odpadů, což představuje asi 10 % vsázky uhlí. Legislativně to není možné. Ing. Petr Mika, Ph.D ze SUAS proto zveřejnil velice zajímavou korespondenci mezi SUAS a MŽP. Pro technika znalého dané problematiky je to k popukání. Vše si můžete pročíst v elektronické příloze práce Energetické zplyňování a jeho cesta k vyšší účinnosti a energetickému využití odpadů, kterou najdete na informačním serveru MPO – EFEKT v sekci publikace: http://www.mpo-efekt.cz/cz/ekis/publikace A tak technicky připravený investor, který provozuje v Evropě unikátní technologii v ČR nejúčinnější paroplynové elektrárny, čeká a lopatky jeho rypadel se zakusují stále hlouběji do Sokolovské hnědouhelné pánve a naše odpadkové hory se dále vrší. Vše je připraveno k tomu, aby významnou část paliva nahradila vybraná část komunálního odpadu, ale nenahraditelná fosilní paliva dále nenávratně mizí v kotlích elektráren.

Granulované certifikované palivo RDF je vyrobeno z různých odpadních plastů, PET lahví a pryží vesměs z automobilů. Takové palivo musí projít certifikací, což je složitá, nicméně zvládnutelná procedura. Palivo vyrobené z odpadů jako mávnutím kouzelného proutku přestává být legislativně odpadem a stává se alternativním palivem. Proti tomu pochopitelně protestují zástupci spaloven, protože žádný z provozovatelů energetických zdrojů nepostaví účinnou filtraci na celý objem spalin, když použije jen 10 % alternativního paliva z odpadů. Deset takových spaloven pustí do ovzduší tolik emisí, kolik by vylétlo při spálení 100 % smetí, ale vzhledem k desetiprocentnímu podílu budou natolik naředěné, že celý zdroj vyhoví daným emisním limitům. Pověstným mávnutím kouzelného legislativního proutku se certifikované palivo vymaňuje z kompetencí zákona o odpadech a spadá pod kompetenci zákona o ochraně ovzduší, jehož limitům na měření oxidů dusíku, oxidů síry a tuhých znečišťujících látek s přehledem vyhovuje.

Porovnání emisních limitů pro různé energetické zdroje přepočtené na 11 % kyslíku.

Z tabulky č. 4 je zřejmé, že u dalších energetických zdrojů se vůbec nesleduje celá řada parametrů . U některých parametrů, které se ale sledují u spaloven i u ostatních zdrojů je patrné že hodnoty povolených emisních limitů se diametrálně odlišují. Snad nejmarkantnější je to u biomasy a spaloven v hodnotách u SO_x a TZL.

Z tabulky č. 4, která uvádí přehled limitů toxických kovů je zřejmé, že v potravinách, pitné vodě, ovzduší na pracovišti i ve volném ovzduší se mohou legálně vyskytovat mnohem vyšší koncentrace těžkých kovů a dioxinů než u spaloven. Je to sice nelogické, ale je to tak.

Ochrana ovzduší

Vzhledem ke výrokům některých rádoby ekologických organizací je vhodné připomenout že v porovnání produkce dioxinů ze spaloven a domácích topenišť spalovny produkují jen nepatrnou část.

Spalovny tedy produkují celkem nula nula nic, přesto se legálně a mnohdy i z veřejných prostředků spousta dioxinů vypouští i organizovaně. „Londýnská radnice na přelomu milénia pro své občany uspořádala ohňostroj, který za 15 minut střílení vypustil do ovzduší stejné množství dioxinů a furanů, které by tamní spalovna vyprodukovala za 140 let provozu.“ Když jsem se dozvěděl tuhle zprávu velice rychle jsem si vzpomenul, jak při novoroční procházce páchne vzduch v místech, kde střílí petardy. Také se většinou 1. ledna zatáhne a obloha je najedou špinavě šedá, i když ještě 31. prosince ještě krásně svítilo slunce. Co všechno se asi s výbuchy pestrobarevných ohnivých petard do ovzduší dostává? S touto otázkou jsem zamířil na katedru Ústavu ochrany ovzduší na Vysoké škole chemicko-technologické v Praze. Ano, petardy produkují dioxiny a těžké kovy, to my víme, ale nikoho to nezajímá. Navíc je velice obtížné při jejich výbuchu škodlivé látky změřit. Aha, co takhle bouchnout petardu v nějaké kanceláři, kde se rozhoduje o tom, kolik tun zábavné pyrotechniky se vypustí. 31.12.2011 hlavní město Praha odpálilo 2 tuny výbušnin a další oficiální ohňostroje vylétli ve 30 okresních městech. Do Brna se každý rok v létě sjíždějí střelmistři z celé Evropy a davy lidí nadšeně tleskají. Kolikpak tun zábavné pyrotechniky bez sebemenšího čištění spalin ročně v ČR odpálíme? Kolik různých prvků při jejích explozích shoří v atmosféře a kolik dalších sloučenin vznikne při jejich spalování? Jistě existuje nějaká statistika, kolik tun zábavné pyrotechniky se do ČR každým rokem dováží, podle údajů od prodejců zájem lidí trvale stoupá.

Tak přeji všem čistý vzduch.

Závěr

Spalovny u nás nemají na růžích ustláno. Naše legislativa, ale ani evropská, nezná pojem zplyňování a ani pro něj nemá stanovené emisní limity, ať se již jedná o uhlí, biomasu nebo odpady. Na technologický proces zplyňování se tedy snaží napasovat vyhlášky pro spalování dřeva či odpadů. Stanoviska místně příslušné správy ČIŽP jsou proto odlišná a mnohdy se odlišují od postojů MŽP. Snad je to tím, že celý obor odpadového hospodářství podléhá nejrůznějším politickým a lobbistickým tlakům. Možná je to tím, že legislativa v oblasti odpadového hospodářství je nepřehledná.

Spalovnám se lidé v naší zemi zarputile brání a ani si přitom neuvědomují že právě tím zhoršují své životní prostředí. Nové technologie postavené na principech zplyňování jsou díky převládajícím redukčním procesům předurčené pro odstranění nebezpečných škodlivých látek, čemuž naše i evropská legislativa doposud „úspěšně“ brání. Z tohoto důvodu považuji za prospěšné vytvoření profesní zájmové organizace, která s přispěním akademické obce prosadí emisní limity pro pyrolýzu a zplyňování. Nové vývojové technologie po boku nových velkých spaloven které se v ČR snad již konečně postaví tak pomohou snížit ekologickou zátěž, kterou jsme enormním skládkováním našich odpadků ve formě časované skládkové bomby zanechaly svým potomkům.

Použité zdroje

• Informační server o energetickém využití odpadů: http://www.odpadjeenergie.cz
•  Elektronická publikace: Energetické zplyňování a jeho cesta k vyšší účinnosti a energetickému využití odpadů, umístěná na oficiálním informačním serveru MPO: http://www.mpo-efekt.cz/cz/ekis/publikace/21282
• S použitím firemních materiálů a technických podkladů: LCA Studio, SAKO Brno, ELIAV, Pyroinvest, Sokolovská uhelná, ARROWLINE S použitím příspěvků vzdělávacího semináře: Nové technologie pro EVO pyrolýzou a zplyňováním, které najdete v seznamu realizovaných akcí na: http://energis24.cz

Tweet

Regulace teploty plynových motorů

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?

Jak získat udržitelnou biomasu