Termiczna utylizacja, czy spalanie odpadów?

Termiczna utylizacja odpadów to określenie – wytrych, umożliwiające ukrycie zwalczanych przez społeczeństwa lokalne spalarni odpadów. Od 15 lat czynione są próby budowania w Polsce spalarni odpadów, skutecznie torpedowane przez obywateli, którym grozi mieszkanie w sąsiedztwie spalarni.
Najczęściej autorami projektów budowy spalarni byli zachodni przedsiębiorcy, którzy bardzo dobrze oceniają korzyści wynikające z posiadania spalarni. Głównym błędem jaki popełniano przy ich budowie, to wybór lokalizacji.
Spalarnia odpadów będzie przynosić zyski, jeśli wytworzone ze spalania odpadów ciepło będzie można sprzedać, a więc w dużych miastach zużywających duże ilości ciepłej wody przez cały rok. Ogrzewanie to tylko kilka miesięcy w roku, a strumień odpadów palnych jest większy w lecie niż w zimie.

Dlatego też celowe są inwestycje pomocnicze np. w wytwórnię paliwa z odpadów, które byłoby spalane z zależności od potrzeb, więcej w zimie, a mniej w lecie. Ale tu powstaje problem wykorzystania potencjału spalarni i postoju części kotłów w lecie, co zwiększa czas zwrotu nakładów inwestycyjnych. Powyższa pobieżna analiza ma tylko zasygnalizować problemy, których można uniknąć rezygnując z budowy spalarni na rzecz takiej modernizacji istniejących w Polsce kotłowni węglowych, aby mogły współspalać lub spalać paliwo z odpadów. Jak powszechnie wiadomo technologie spalania odpadów przychodzą z Europy Zachodniej. Tam już od ponad 20 lat nie ma małych i średnich kotłowni węglowych, a tylko olejowe lub gazowe (w związku z tym nikt nie wpadł na pomysł, aby przerabiać kotłownie na spalarnie odpadów).

Należałoby poddać modernizacji kilkanaście lub kilkadziesiąt kotłowni węglowych w Polsce, polegającej na:

• dostosowaniu układu nawęglania do zasilania odpadami lub paliwem z odpadów i węglem,
• przebudowaniu rusztów,
• zbudowaniu instalacji oczyszczania spalin.

Korzyści z takiego postępowania są następujące:

• nie ma problemu z odbiorem ciepła,
• nie potrzeba budować sieci cieplnych, dróg dojazdowych, składowisk, układu odbioru popiołu,
• mieszańcy w okolicy kotłowni (można wytypować kotłownie istniejące na obrzeżach miast) przyzwyczajeni są już do transportu węgla i odpadów paleniskowych. Jeśli zapewni się hermetyczny dowóz paliwa z odpadów lub odpadów oraz obniży opłaty za ciepłą wodę i ogrzewanie, mogą się zgodzić na modernizację kotłowni,
• emisja zanieczyszczeń ze zmodernizowanej kotłowni będzie znacznie niższa niż aktualnej, wyposażonej tylko w cyklony odpylające. Można zatem w powszechnie dostępnym miejscu zainstalować monitory z aktualnym stężeniem: pyłu, SO2, NOx, CO z gwarancją obniżenia tych stężeń po modernizacji. Można też okresowo mierzyć stężenie dioksan, furanów, czy rtęci i podać gwarantowane stężenia tych zanieczyszczeń przy współspalaniu odpadów,
• obniżone zostaną roczne koszty paliwa w stopniu zależnym od udziału i wartości opałowej odpadów, co umożliwi obniżenie ceny energii cieplnej,
• wszystkie powyższe tezy można uznać za hasłowe, dlatego przytoczę założenia projektowe modernizacji istniejącej kotłowni składającej się z 4 kotłów WR-25, polegającej na dobudowaniu instalacji oczyszczania spalin.

Założenia projektowe

Projekt został tak skonstruowany, aby maksymalnie wykorzystać istniejący układ przepływu spalin. Proces oczyszczania składa się z następujących operacji:

• usuwanie dioksan, furanów i metali ciężkich uzyskuje się przez iniekcję węgla aktywnego do spalin przed istniejącymi cyklonami,
• ciepło spalin wykorzystuje się do podgrzania powietrza, które wprowadzone do spalin oczyszczonych podwyższa temperaturę spalin emitowanych, a także do wysuszenia szlamów z oczyszczania spalin,
• proces oczyszczania spalin polega na zraszaniu alkaliczną cieczą z dodatkiem utleniacza (jeśli stężenie NO_x jest większe od 200 mg NO2/ m³_n) w specjalnych poziomych absorberach rurowych,
• suche produkty oczyszczania spalin będą bezpiecznie składowane.

Dane wyjściowe oraz projektowane emisje zanieczyszczeń zebrano w tabeli 1.

Tab. 1. Dane wyjściowe do projektu instalacji oczyszczania spalin Paliwo z odpadów: strumień = max 24 Mg/h, wartość opałowa = 17,84 MJ/kg, H₂O = 12%, gęstość paliwa = 250 kg/m³, temperatura topnienia popiołu = 1193 ± 16°C

Sposób oczyszczania spalin ilustruje rysunek 1.

Rys. 1. Schemat instalacji do oczyszczania spalin z kotłowni

Przy spalaniu paliwa z odpadów lub przy współspalaniu węgla i odpadów, w spalinach pojawiają się zwiększone stężenia par metali i ich związków oraz dioksyn i furanów. Zwiększone jest też stężenie chloro- i fluorowodoru. Ograniczenie emisji metali, dioksyn i furanów nastąpi przez iniekcję do spalin przed multicyklonami pyłu węgla aktywnego ze wspólnego układu 1 dla aktualnie eksploatowanych kotłów. Oczyszczone w cyklonach C1, C2, C3 i C4 spaliny, zasysane będą wentylatorami W1, W2, W3 i W4 i (zamiast do komina) wtłoczone będą do wymienników ciepła spaliny-powietrze HE1 i HE2, gdzie nastąpi ochłodzenie spalin do 100-130 °C, oraz podgrzanie takiej ilości powietrza, aby po wymieszaniu ze spalinami oczyszczonymi osiągnąć temperaturę rzędu 80 °C. Wymuszony przepływ powietrza przez wymienniki HE1 i HE2 zapewni wentylator powietrza 3 (Wp), który będzie zasysać powietrze z kotłowni i przesyłać gorące powietrze do komory mieszania 17. Wstępnie ochłodzone w wymienniku ciepła HE1 spaliny, wpłyną do reaktora poziomego 4, a z wymiennika HE2 do reaktora 4a, gdzie zraszane będą dyszami 5 wprowadzającymi roztwór sorpcyjny w przeciw prądzie do kierunku przepływu spalin. Reaktory wyposażone będą w dwa typy sorbentów:

1. roztwór wodorotlenku sodu, który usuwać będzie ze spalin następujące zanieczyszczania: SO₂ + H₂O + 2 NaOH = Na₂SO₃ + 2 H₂O
   HCl + NaOH = NaCl + H₂O
   HF + NaOH = NaF + H_2O
   N₂O₃ + 2 NaOH = NaNO₂ + NaNO₃
2. roztwór NaOCl, który utleniać będzie NO do N₂O₃, NO₂ i N₂O₅ oraz rtęć metaliczną do rtęci rozpuszczalnej: Hg(NO₃)₂

- usuwany będzie też niesiony przez spaliny pył i produkty reakcji utleniania w reaktorze i odkraplaczu.

Każdy z reaktorów 4 i 4a będzie zraszany roztworem wodorotlenku sodu NaOH przez 20 dysz 5 o wydajności 2,5 m3/h każda. Wodorotlenek sodu (magazyn 6) będzie w kolejnych cyklach eksploatacyjnych zastępowany zawiesiną Ca(OH)₂ (mleczka wapiennego) podawaną z układu Ca(OH)₂ 7 pompą 8 lub grawitacyjnie do zbiornika cieczy sorpcyjnej 9. Ciecz zraszająca reaktor spływać będzie pochyłym dnem reaktora 4 (10-30°) do zbiornika cieczy sorpcyjnej 9 przez zamknięcia hydrauliczne 10, pH w tym zbiorniku będzie utrzymywane na poziomie pH 9-14 u wylotu z króćca tłocznego pomp P11 i na poziomie pH 6,5-7,5 u wypływu z zamknięcia hydraulicznego 10. Ciecz sorpcyjna zraszająca reaktory 4 i 4a cyrkulować będzie w obiegu zamkniętym: zbiornik 9, pompy 11 i 11a, dysze 5, reaktory 4 i 4a, zbiornik 9 (podzielony na dwie sekcje). Po uruchomieniu instalacji cieczą sorpcyjną będzie około 8% roztwór NaOH, do którego w czasie eksploatacji doprowadzać się będzie zawiesinę Ca(OH)₂ w wodzie z układu 7 pompą 8.
W wyniku reakcji wymiany:

Na₂SO₄ + Ca(OH)₂ + 2 H₂O = CaSO₄ × 2 H₂O + 2 NaOH
Na₂SO₃ + Ca(OH)₂ + 1 H₂O = CaSO₃ × 1 H₂O + 2 NaOH

uzyska się stały odpad i ciekły sorbent.

W pierwszej sekcji zbiornika 9, nastąpi utlenienie CaSO₃ · 1 H2O do CaSO₄ · 2 H₂O w wyniku intensywnego napowietrzania sprężonym powietrzem. Nastąpi też częściowy wzrost stężenia CaSO₄ × 2 H₂O w zawiesinie. Po wzroście stężenia zawiesiny do około 5%, przełączy się pompy 11 tak, aby ciecz sorpcyjna krążyła w krótkim obiegu zamkniętym: sekcja I zbiornika 9, pompa 11 lub 11a, dysze 5, zamknięcie hydrauliczne sekcji I. W wyniku odparowania wody nastąpi zagęszczenia zawiesiny, w stopniu umożliwiającym podawanie do układu odparowania wody: O1 lub O2, przez układ 12. Do odparowania wody wykorzysta się część spalin tłoczonych przez wentylatory W1, W2, W3 i W4. Wilgotne spaliny z O1 i O2 wprowadzane będą bezpośrednio do odpowiednich reaktorów: 4 lub 4a z ominięciem wymienników ciepła.

Reaktor wyposażony zostanie w 2 niezależne układy do ograniczania emisji NOx i rtęci (Hg) oraz metali ciężkich. Na wlocie do reaktora po wyłączeniu kilku dysz, zainstalowany zostanie układ iniekcji do spalin pyłu wapna chlorowanego 13 lub 13a, który działa zgodnie z reakcją:

2 NO + Ca(ClO)2 = 2 NO2 + CaCl2
2 NO2 + H2O = HNO3 + HNO2

kwasy te przereagują z NaOH lub Ca(OH)2 tworząc odpowiednie azotany lub azotyny. Metaliczna rtęć rozpuści się w kropelkach HNO3 zgodnie z reakcją:

Hg + 2 HNO₃ = Hg(NO3)₂ + H₂

Odpadowy roztwór NaOCl, będzie podawany do reaktora w postaci kropelek ? 63 mm, przy pomocy specjalnej dyszy na sprężone powietrze z układu 14 lub 14a. Pierwszy (Ca(ClO)₂) 13 i 13a lub drugi (NaOCl) 14 i 14a układ dozowania utleniaczy będzie stosowany tylko w przypadku wzrostu stężenia NO i Hg0 w spalinach oczyszczonych, mierzonych analizatorem 15.

W czasie rozruchu instalacji sprawdzane będą wyżej wymienione dwie metody ograniczania emisji NO_x.

W instalacji oddanej do eksploatacji pozostanie tylko jeden układ charakteryzujący się maksymalną skutecznością usuwania NO_x i niższymi kosztami eksploatacyjnymi.

Wstępnie oczyszczone w reaktorach 4 i 4a spaliny o temperaturze 30-40 °C wpłyną do reaktora 4b, zraszanego dyszami 5 zasilanymi przez pompę 11b, zasysającą ciecz sorpcyjną ze zbiornika 9. Zastosowany układ trzech reaktorów, umożliwi ekonomiczny i elastyczny sposób eksploatacji. Przy pracy kotłów K1 i K2 lub tylko jednego kotła, spaliny oczyszczane będą w reaktorze 4 zraszanym pompą 11 i doczyszczane (w razie potrzeby) w reaktorze 4b zraszanym pompą 11b (przy dostatecznym stopniu oczyszczania w reaktorze 4, reaktor 4b będzie tylko kanałem spalin i wstępnym odkraplaczem). Podobnie przy pracy kotłów K3 i K4 lub tylko jednego kotła, spaliny oczyszczane będą w reaktorze 4a zraszanym pompą 11a i doczyszczane w reaktorze 4b (pompa 11b). Zakłada się, że maksymalnie w 4 kotłach spalać się będzie 24 Mg/h paliwa z odpadów, do czego wystarczy eksploatacja 3 kotłów, przy 1 kotle w rezerwie. Może się jednak okazać, że przy pewnym specyficznym paliwie, korzystniejsze parametry spalin uzyskuje się przy mniejszym obciążeniu kotłów np. zamiast 8 Mg/h x 3 = 6 Mg/h x 4, dlatego instalacja oczyszczania spalin projektowana jest na oczyszczanie spalin z każdego z 4 kotłów.

Oczyszczone w reaktorze spaliny o temperaturze 30-40 °C wpłyną do zmywanego wodą odkraplacza 16 (dalszy etap oczyszczania spalin), a następnie do komory mieszania 17, w której nastąpi podgrzanie spalin gorącym powietrzem do temperatury zapobiegającej kondensacji pary wodnej w kominie. Spaliny po komorze mieszania wpłyną do kształtki 18 dobudowanej przy starym kanale wlotowym spalin do komina 19. Oczyszczone i podgrzane spaliny wprowadzi się do komina, przy którym zainstalowany zostanie układ analityczny 15 umożliwiający ciągłe lub okresowe pomiary stężeń zanieczyszczeń w spalinach. Stężenia zanieczyszczeń po oczyszczeniu spalin nie przekroczą stężeń dopuszczalnych.

Koszty inwestycyjne zebrano w tabeli 2.

Koszt modernizacji rusztów i układu nawęglania wyniesie 2 mln PLN, a łączny koszt inwestycyjny = 5,88 mln PLN.
Koszty eksploatacyjne instalacji oczyszczania spalin:

Węgiel aktywny = 18,3 kg/h x 10,89 PLN/kg = 199,1 PLN
Wapno hydratyzowane = 1,216 Mg/h x 250 PLN/Mg = 304,1 PLN
Wapno chlorowane = 18,2 kg/h x 2,16 PLN/kg = 39,3 PLN
Energia elektryczna = 0,25 MWh x 220 PLN/MW = 55,0 PLN
Robocizna = 1 h x 30 PLN/h = 30,0 PLN
Remonty i konserwacja = 42 000 PLN/a = 6 PLN
Godzinowy koszt eksploatacji instalacji = 633,5 PLN
Roczny koszt eksploatacji = 7000 h x 633,5 PLN = 4,4345 mln PLN
Roczne zużycie paliwa = 24 Mg/h x 7000 h = 168 000 Mg/rok
Koszt eksploatacji instalacji oczyszczającej na tonę paliwa = 26,4 PLN/Mg
Wykorzystana energia cieplna paliwa przy sprawności kotła = 80% = MEp
MEp = 168 000 Mg/a x 17,84 GJ/Mg x 0,8 = 2 397 696 GJ/a
Wartość wytworzonej energii cieplnej przy sprzedaży po 12 PLN/GJ = WE
WE = 2 397 696 GJ/a x 12 PLN/GJ = 28 772 352 PLN/a

Cenę GJ energii cieplnej określono na 12 PLN/GJ (przeciętnie w Polsce 20-26 PLN/GJ), uwzględniając obniżenie ceny dla okolicznych odbiorców.

Podsumowanie

• W analizie nie uwzględniono ceny paliwa z odpadów zakładając, że opłata za składowanie 1 tony odpadów wynosząca 75 PLN/tonę oraz wymuszona segregacja przyczynią się do pokrycia kosztów wytwarzania paliwa z odpadów. Praktykowana obecnie tendencja spalania paliwa z odpadów w cementowniach, może być w przyszłości ograniczona, bo cementownie (poza elektrofiltrami) nie mają instalacji oczyszczania spalin
• Koszty inwestycyjne = 5,88 PLN.
• Koszty eksploatacyjne instalacji oczyszczania = 4,4345 mln PLN/rok
• Wartość wytworzonej energii cieplnej rzędu 28,7 mln PLN/rok.

Powyższe cyfry wyglądają na nieprawdopodobne, błąd przy określaniu kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych nie może przekroczyć 30%, zatem zysk i czas zwrotu kosztów inwestycji pozwalają na zrozumienie intencji przedsiębiorców usiłujących budować spalarnie w Polsce.

W naszej strukturze, gdzie właścicielem kotłowni i odpadów jest często miasto lub osiedle, można założyć że prędzej czy później nastąpi sprzężenie umożliwiające właściwą gospodarkę odpadami i energią cieplną oraz że nie będziemy musieli wydawać ogromnych pieniędzy na kupno spalarni za granicą.