Kogenerace - Plyn z TKO ako zdroj energie (III)

Celosvetový problém nedostatku prvotných zdrojov energie núti vedcov a technikov celého sveta hľadať nové technológie pre čo najhospodárnejšie využitie jestvujúcich zdrojov energie, ako aj hľadať nové zdroje. Na druhej strane, nepotešiteľná celosvetová environmentálna situácia, zapríčinená predovšetkým neprimeraným a stále sa rastúcim prívalom odpadov ako neduhom civilizácie, prinútilo ľudstvo riešiť oba problémy vo vzájomnej spojitosti. Európska Únia vo svojom programe pre odpadového hospodárstvo má zahrnutý strategický plán, ktorý sa snaží riešiť tento problém aj zneškodňovaním odpadov s energetickým využitím.

Obr. 1 Vývoj produkcie KO v rokoch 1992-2003 (Zdroj: SAŽP, ŠÚ SR)

Hlavným zdrojom znečistenia životného prostredia organickými odpadmi je okrem poľnohospodárstva a potravinárskeho priemyslu aj komunálna sféra. Kým priemyselný odpad sa likviduje najčastejšie v rozsahu vlastnej technológie výroby, komunálny odpad svojím vzrastajúcim sa objemom a kvalitou vytvára environmentálne problémy. Podľa údajov Štatistického úradu Slovenskej republiky (ŠÚ SR) vzniklo v SR v roku 2003 1 599 377 ton KO a drobných stavebných odpadov, čo je vzrast o 6% oproti roku 2002. Vývoj produkcie KO v SR od roku 1992 až 2003 je zobrazený na obr.1. Časť problému nie je vo výrobe či v materiály vlastného výrobku ale v likvidácií výrobku po použití. Tuhý komunálny odpad (TKO) je zmesou organických a anorganických látok (viď obr.2) a dôležitú úlohu pre jej zneškodnenie zohráva jeho zber.

Obr. 2 Zloženie TKO na východnom Slovensku (Zdroj: MŽP SR)

Separovaným zberom sa utvára možnosť realizácie recyklácie materiálu alebo jeho prípadného energetického využitia. Najdôležitejším kritériom pri voľbe spracovania týchto materiálov je ich konzistencia. Ak likvidáciu nie je možné riešiť recykláciou materiálu, je prvotnou snahou zmenšiť jeho objem, a potom podľa zloženia a technických vlastností technologicky využiť. Toto zníženie objemu odpadov sa viac-menej úspešne rieši tepelným zneškodnením odpadov. Pri tejto technológií sa zároveň využíva horľavosť odpadov, t.j. jeho energetický potenciál.

Väčšina tuhých horľavých odpadov má vyššiu výhrevnosť ako má kvalitné triedené hnedé uhlie. Ich spaliny sú najväčšími znečisťovateľmi životného prostredia a preto sa hľadajú možnosti zmiernenia alebo až likvidácie ich nepriaznivých účinkov. V súčasnosti spaľovanie plynných palív je ekologicky a technicky riadeným spaľovaním najpriaznivejšie a preto aj tuhé palivá mnoho krát sa upravujú splyňovaním a ako také sa spaľujú. Aj v prípade TKO sa zavádzajú pre jeho efektívnejšie energetické využitie, bez väčších znečistení životného prostredia, technológie splyňovania.

Pre získanie plynných horľavých produktov pri zneškodnení TKO sa využívajú technológie:

• Skládkovanie - skládkový plyn (SP), ktorý sa tvorí voľne na skládkach,
• Splyňovanie - plyn získaný pri tepelnom rozklade s prítomnosťou kyslíka,
• Pyrolýza - plyn získaný pri tepelnom rozklade bez prítomnosti kyslíka,
• Tavenie a splyňovanie v plazmovom reaktore.

Obr. 3 Schéma experimentálneho zariadenia

Predmetom výskumu Katedry energetickej techniky SjF TU v Košiciach v spolupráci s Katedrou teplotechniky HF, TU v Miškolci, sú práve od deväťdesiatych rokov technológie zneškodnenia odpadov skládkovaním, pyrolýzou a tavením a splyňovaním v plazmovom reaktore.

SPAĽOVANIE SP

SP vzniká na skládkach TKO anaeróbnou fermentáciou biodegradabilných organických látok skládkového odpadu, ktorého základné zloženie tvorí metán, oxid uhličitý a dusík, čiže je v podstate bioplynom. Zachytávaný SP má nestabilné zloženie a aj dodávku, čo nepriaznivo pôsobí na jeho spaľovací proces. Preto sa hľadali spôsoby ako zamedziť, prípadne odstrániť tieto nepriaznivé vplyvy. Navrhlo sa riešenie spaľovať SP v zmesi so zemným plynom (ZP). Aby sa zistili parametre splodín takto vzniknutého plynného paliva, uskutočnili sa experimentálne merania, ktorých cieľom bolo zistenie vplyvu obsahu SP v zmesi so zemným plynom na spaľovací proces. Merania sa uskutočnili na experimentálnom zariadení jednostupňovým ako aj postupným dvojstupňovým spaľovaním. Schéma zariadenia je uvedená na obr. 3.

Výsledok meraní potvrdil, že spaľovanie SP v zmesi so ZP stabilizuje horenie a pri dvojstupňovom spaľovaní priaznivo vplýva na zníženie škodlivín v spalinách. Tým, že sa navrhlo spoločné spaľovanie SP so ZP jednoznačne sa získala úspora spotreby ZP a zároveň sa dosiahlo zneškodnenie SP jeho energetickým využitím čo priaznivo pôsobí aj na životné prostredie (viď obr. 4).

Obr. 4

PYROLÝZA TKO

Pri hľadaní ciest zneškodniť TKO čo najekologickejšie, nebolo možné obísť technológiu splyňovania či pyrolýzy. Náročnejšia je technológia pyrolýzy pre svoje bezkyslíkaté prostredie a endodermickú povahu tepla, ale práve preto poskytuje neskreslený obraz o rozdelení horľavín v pyrolýznych produktoch. Hmotnostné rozdelenie horľaviny v produktoch po pyrolýze a ich kvalita potvrdila, že najväčšia konverzia tuhého materiálu na kvapalné a plynné produkty je u plastov (PE, PP) a najmenšia u papiera (NP - novinový papier, TP - obalový papier) zo skúmaných vzoriek. Zvýšením teploty sa zvyšuje aj plynný produkt ale tuhý produkt sa zmenšuje. Z energetického hľadiska pri vyššej teplote (800°C) sa zvyšuje podiel výťažku vodíka oproti metánu z čoho vyplýva, že pri nižšej teplote (600°C) vzniká kvantitatívne menší produkt ale vyššej kvality (vyplýva to z vyššej výhrevnosti metánu oproti vodíku). Je to veľmi dôležitý poznatok z hľadiska prevádzkového využitia pyrolýzneho plynného produktu odpadov. Pyrolýzny plyn má pomerne vysoký obsah oxidu uhoľnatého, ktorý nie je výrazne ovplyvnený teplotou.

Aby bolo možné stanoviť energetický potenciál jednotlivých skúmaných vzoriek, ktorý závisí nie len od výhrevnosti ale aj od jeho množstva, sa v konečnej bilancií pretransformovali všetky energetické hodnoty do formy tepelnej energie produktov a ako také boli vzájomne porovnávané. Kvapalný produkt sa nestanovoval z dôvodu jeho nemerateľnosti, ale sa dopočítaval. Vyhodnotenie meraní je graficky spracované a uvedené na obr. 5.

Obr. 5 Rozloženie povodnej vzorky do jednotlivých produktov pyrolýzy pre skumane odpady

Veľmi dôležité sú závery z porovnaní procesu pyrolýzy so spaľovacím procesom, ktorý nám dáva obraz o prednostiach toho ktorého procesu a to nie len z hľadiska technického zneškodnenia odpadu a využitia jeho energetického potenciálu, ale aj z ekologického hľadiska. Vyhodnotenie sa vykonalo experimentálno-teoreticky, čo znamená, že k stechiometrickému výpočtom boli použité hodnoty z meraní. Jednoznačne pre všetky vzorky sa potvrdilo, že pri spaľovaní množstvo spalín odpadov prevláda voči spalinám vzniklých spaľovaním pyrolýznych produktov (obr. 6).

Obr. 6 Porovnanie vzniknutých spalín pre skúmané vzorky

Energetickú efektívnosť pyrolýzneho procesu je možné vylepšiť aplikovaním technickej práce pri likvidácií pyrolýznych produktov, ako napríklad využitím pyrolýzneho plynného produktu v kogeneračnej jednotke upravenej z motora Škoda 781 136 G, ktorú uvažujeme pre náš prípad. Vyrobená elektrická a tepelná energia pri uvažovanom 100% výkone tejto kogeneračnej jednotky využívajúcej pyrolýzny plynný produkt zo skúmaných vzoriek pre teplotu 800°C pre 1 kg odpadu je uvedený v tab. 1.

Vzorka	TP	NP	BA	PE	PET	PP
V0 [Nm3.h-1]*	22,49	22,22	19,63	9,83	25,11	14,92
V [Nm3]	0,5433	0,6222	0,8519	1,1356	0,5832	1,1453
Qe [kWhe]	0,57	0,62	0,99	2,54	0,51	1,69
Qt [MJ]	4,18	4,54	7,32	18,71	3,76	12,44
* pre výkon kogeneračnej jednotky 22 kWe, 45 kWt

Tab. 1 Vyrobená elektrická a tepelná energia z 1 kg odpadu

Takáto technológia pozostáva z týchto hlavných celkov: príprava vsádzky, pyrolýzny reaktor s čistením plynného produktu, kogeneračná jednotka s využitím tepelnej energie spalín. Vyrobená elektrická energia v kogeneračnej jednotke môže byť využitá na vlastnú spotrebu elektrickej energie prevádzky a príslušných objektov. Zvyšnú elektrickú energiu je možné dodávať do príslušnej rozvodnej siete a predávať ju odberateľom. Tepelnú energiu získanú v kogeneračnej jednotke a výmenníku tepla je možné použiť na ohrev TÚV v objekte.

ZÁVER

Z hore uvedeného vyplýva, že z hľadiska energetického využitia TKO ako aj z hľadiska ekologického, sa najvhodnejšie výsledky dosahujú spaľovaním plynných produktov odpadov. V prípade ak TKO nie je skládkovaný, je vhodné plynný produkt získať pyrolýzou (splyňovaním) odpadov. Medzi najvýraznejšie negatívum pyrolyzného procesu je jeho finančná náročnosť vyplývajúca z endodermického procesu (potreba tepelnej energie na tepelný rozklad). Na druhej strane použitie pyrolýzneho procesu uprednostňujú tieto skutočnosti: dosiahnutie zníženia objemu , možnosť lepšieho energetického využitia, možnosť spätného využitia kvapalného produktu pyrolýzy, nižšia ekologická záťaž životného prostredia a neposlednej miere možnosť úpravy alebo až zneškodnenia toxických zdraviu škodlivých odpadov. Či uvedené spôsoby zneškodnenia TKO nájdu širšie uplatnenia aj na Slovensku bude závisieť nie len od výsledkov vlastnej technológie, ale aj od finančnej podpory rezortných štátnych orgánov.

Táto práca vznikla v rámci riešenia grantovej výskumnej úlohy VEGA MŠ SR č. 1/9398/02 a č. 1/2198/05 a OTKA T 029199 a T 046471.