Zkušenosti se zplynováním tříděného komunálního odpadu

Unikátní zařízení, které zplynováním TTS (tuhá topná směs-tříděný průmyslový a komunální odpad) vyrábí energoplyn bylo uvedeno do zkušebního provozu v akciové společnosti Vápenka Prachovice, kterou od poloviny minulého roku vlastní belgická společnost Carmeuse patřící k největším světovým firmám, které se zabývají vápenickými aktivitami. Výstavba zplynovací jednotky v Prachovicích je výsledkem dlouhodobého vývoje, který se v a.s. ATEKO traduje od poloviny 80. let. Proces fluidního zplynování ve stacionárním loži, původně vyvíjený jako součást paroplynových cyklů na zplynování českého energetického uhlí, byl nejprve upraven na zplynování biomasy a následně na zplynování TTS.

1. Úvod

V Cementárnách se alternativní paliva používají jako součást směsného paliva (uhlí, topné oleje atd.) v rotačních pecích již řadu let. V roce 1999 vznikla idea použít z odpadů vyráběnou tuhou topnou směs (TTS, dle světové terminologie RDF-Refuse Derived Fuel) i pro otop vápenky. Do vápenky však není možno přivádět TTS přímo, neboť by došlo ke snížení kvality vápna. Proto je třeba nejprve energii obsaženou v TTS transformovat do energoplynu, který lze pak použít pro náhradu části zemního plynu, používaného dosud pro otop pecí.

Při diskusích byly stanoveny parametry zařízení a cíle, jichž má být dosaženo a které představují vysokou úroveň technologie a sice:

• zplynování předehřátým vzduchem, které vede ke zvýšení energetické účinnosti,
• jemnější čištění plynu od prachu, aby bylo možno použít plyn pro malé hořáky (vápenka má na jedné peci šachtového typu 20 malých hořáků),
• zplynování v bublajícím fluidním loži, což umožní zplynovat drcené, negranulované palivo, čímž se zařízení zlevní a zjednoduší.

Vápenka představuje pro použití energoplynu z TTS jedinečnou příležitost ještě z jednoho důvodu. Spaliny vznikající z plynu obsahují sloučeniny chlóru a síry a stopová množství škodlivých polychlorovaných dibenzodioxinů (PCDD) a dibenzofuranů (PCDF). Tyto sloučeniny se při průchodu šachtovou pecí částečně vážou na vápenec nebo se štěpí.

2. Záměr a způsob řešení projektu

Množství odpadu v posledních letech v evropských zemích prudce vzrůstá. Česká republika svou hodnotou 400 kg/rok na hlavu se přibližuje vyspělým západním zemím. Více než 90% odpadu je skládkováno. Přesto, že se zabezpečení skládek proti pronikání kontaminantů do spodních vod trvale zlepšuje a že na řadě skládek dochází k využití vznikajícího bioplynu k výrobě elektrické energie, jsou na celém světě hledány nové způsoby využití energie obsažené v komunálním i průmyslovém odpadu. Jednou z možností využití tříděného odpadu je jeho zplynění a použití vyrobeného plynu jako náhradního paliva za ušlechtilá paliva - zemní plyn a topné oleje - pro otop kotelen, vápenek, cementářských pecí apod.

Vybudování úpravny odpadu KAPO v Třemošnici a použití výrobené TTS pro otop rotační cementářské pece vytvořilo vhodné podmínky pro výstavbu zplynovacího zařízení, které by nahradilo vyrobeným energoplynem část zemního plynu pro otop vápenky.

Byl stanoven požadovaný tepelný výkon zařízení 2,6 MWT, čemuž odpovídá 0,7 - 0,8 t/h TTS. Práce na řešení projektu probíhaly po dvou paralelních liniích.

Na VUT Brno, strojní fakultě bylo v roce 2000 vybudováno experimentální zařízení pro zplynování biomasy (obr.1). Toto zařízení bylo možno s určitými úpravami použít i pro zplynování TTS.

Na tomto zařízení se prováděly experimenty s různými druhy TTS a stanovovaly se základní charakteristiky procesu. Vyhodnocovaly se materiálová, tepelná a prvková bilance, ekvivalentní zplynovací poměr, složení a výhřevnost vyrobeného plynu, obsah a složení dehtů atd.

Posouzení přesnosti jednotlivých bilancí mělo ukázat, zda jsou naměřené hodnoty pro inženýrské výpočty použitelné a zda se mohou stát podkladem pro úpravy technologického režimu demonstračního zařízení v Prachovicích.

Druhou linií řešení projektu byla výstavba demonstračního zařízení v Prachovicích o výkonu cca 30x větším než je výkon experimentálního zařízení v Brně a jeho ověření při experimentálním provozu (obr.2). Schéma demonstračního zařízení v Prachovicích je na obr. 3.

Tuhá topná směs je přivážena nákladními automobily a sypána do vstupní násypky N01 vybavené dopravním šnekem. Odtud jde přes korečkový elevátor a pásový dopravník do sila, které představuje 24 hodinovou zásobu suroviny. Odtud postupuje TTS dalším korečkovým elevátorem a pásovým dopravníkem do horního zásobníku H06 opatřeného na vstupu i na výstupu plynotěsnými šoupátky. Horní zásobník je dimenzován na cca 2 hod. provozu, spodní na 1 hod. provozu a oba zabezpečují kontinuální dopravu paliva do šneku N08 a dále do reaktoru S09. V reaktoru probíhá zplynění suroviny při teplotě cca 800°C. Reaktor S09 je na spodku vybaven systémem vyhrnování nezplyněných zbytků a popele z roštu a šoupátky pro jejich vypouštění ze zařízení. Vyrobený plyn je odprašován v cyklónu U10 a odloučený prachový polokoks je re cirkulován šnekem Z11 zpět do reaktoru.

Vzduch je stlačován dmychadlem L16 a ve výměníku E15 je předehříván plynem na teplotu cca 500°C s níž vstupuje pod rošt reaktoru S09. Plyn se přitom ochladí na ca 600°C a s touto teplotou je veden do hořáků šachtových vápenek. Přebytek plynu se spaluje na polním hořáku.

3. Časový průběh řešení projektu

Záměr vybudovat v Cementárnách a vápenkách Prachovice zařízení na zplynování odpadu vznikl v první polovině roku 1999 při diskusích mezi zástupci úpravny odpadu KAPO s.r.o. Třemošnice, CEVA a ATEKO a.s. Do konce roku byly provedeny výpočty materiálové a tepelné bilance zařízení a stanoveny velikosti jednotlivých aparátů, což umožnilo stanovit velikost a cenu zařízení a posoudit očekávanou ekonomiku procesu.

Ve spolupráci s Energetickým ústavem Strojní fakulty VUT Brno a KAPO Třemošnice s.r.o. byly zpracovány podklady pro zařazení do programu CENTRA, financovaného Ministerstvem průmyslu ČR. V závěru r. 1999 byla mezi ATEKO a.s. a MP ČR uzavřena smlouva o uzavření budoucí smlouvy.

V průběhu ledna až září r. 2000 byly zpracovány projekty, zařízení bylo zkonstruováno, vyrobeno a smontováno. Po individuálním a komplexním vyzkoušení byla stavba předána do prozatímního užívání.

V listopadu a prosinci 2001 proběhly vývojové zkoušky s cílem docílit provoz zařízení po dobu několika desítek hodin.

Po vyhodnocení výsledků těchto zkoušek bylo zařízení odstaveno a proběhla rekonstrukce některých uzlů, z nichž největší se týkala změny způsobu odvodu nezplyněných zbytků ze spodku reaktoru. Po jejich ukončení byly komplexní zkoušky zopakovány a byl zahájen zkušební provoz.

V průběhu roku 2001 bylo zařízení v provozu 75 dnů. Jednotlivé experimenty vedly k nutnosti modifikaci dalších zařízení, přičemž doba nepřerušeného provozu se stále prodlužovala.

V současné době se provádějí další úpravy, které spočívají v zařazení multicyklónu za cyklón U10 a v rekonstrukci výměníku E15 pro možnost čištění za provozu.

Zkušební provoz bude po dohodě s odběratelem ukončen v roce 2002.

5. Závěr

Zařízení pro zplynování odpadu v Prachovicích o výkonu 2,6 MWT představuje jedno z několika (do 5 kusů) dosud ve světe realizovaných zařízení podobného typu.[1,2]

Při jeho vývoji se podařilo vyřešit problém zplynování negranulovaného, pouze drceného odpadu, to vede k možnosti výrazných úspor.

Zplynování negranulované suroviny si vyžádalo vyřešit problém odstraňování nezplyněných zbytků ze spodku reaktoru. Tento problém se podařilo vyřešit (po několika neúspěšných modifikacích) beze zbytku, způsobem popsaným - v přihlášce vynálezu PV 2001-1066.[3]

Vyřešení tohoto problému, který umožňuje bezporuchový provoz reaktoru při surovině měnící své vlastnosti ve velmi širokých mezích, považujeme za jeden z nejvýznamnějších výsledků dosažených při řešení projektu.

Dlouhodobý provoz (řádově stovky hodin) je prozatím omezen zanášením předehřívače vzduchu prachem. Pro kontinuální provoz je nyní instalován systém automatického čištění výměníku za provozu a multicyklón.

Při měření na experimentálním zařízení na VUT Brno byl shromážděn velký objem poznatků, umožňujících provádět návrhové výpočty nových zařízení s minimálním rizikem.

Technické parametry uvedené v zadání projektu tj. termickou účinnost, měrnou spotřebu paliva a tepelný výkon zařízení v Prachovicích splňuje. "Scaling up" 5 až 10x se jeví jako reálný s minimálním rizikem.

Ekonomické hodnocení provedení nezávislou rakouskou firmou potvrdilo, že cena vyrobeného energoplynu je téměř poloviční oproti zemnímu plynu.

Technické zhodnocení je vyjádřeno větou: Po realizaci optimalizačních úprav je zplynovací zařízení schopno stabilního provozu s dobrou použitelností.

LITERATURA

[1] BARDUCCI G., The Gasification Plant of Greve in Chianti, Main Data and Specifications, Tavolini s.r.l., Florence 1999, Italy.

[2] KEHL P., SCHARF K.-F., SCUR P., WIRTHWEIN R., Operating Results from the First 30 Months with the New Kiln Line 5 at the Rüdersdorf Cement Works, Zement-Kalk-Gips International, 51.vol.,8/98,pp 410-426, Pressehaus, Germany 1998.

[3] Najser J., Stodola J., Ledecký J., přihlášený patent Zařízení pro odstranění nezplyněných zbytků paliva, PV 2001 - 1066, ATEKO a.s.

 

EXPERIENCES ATEKO a.s. WITH GASIFICATION OF RDF

S u m m a r y

Gasification is a well-known process and has been practised on a large scale for many years, especially for gasification of coal or oil residues. With regard of environmental aspects ATEKO a.s. has been engaged in fluidized-bed technology since 1980 for gasification of coal. Fluidized-bed gasification was modified for gasification of biomass (wood waste) and RDF. There is the large scale demo RDF gasification unit in lime works Prachovice. Results and experiences with operating of this atmospheric stationary fluidized bed reactor are presented in this paper.

Obr.2: Demonstrační zařízení na zplynování TTS v Prachovicích
Obr. 3: Schéma demonstračního zařízení v Prachovicích

Tweet

Odpadové hospodářství: Pozitivní trendy a výzvy do budoucna

Novinky z Prodevalu: zkapalňování CO2, Valopur DFM a nová výrobní linka na jihu Francie

Regulace teploty plynových motorů

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky