View
218
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
AKADEMIA GRNICZO - HUTNICZA IM. STANISAWA STASZICA W KRAKOWIE
WYDZIA INYNIERII METALI I INFORMATYKI PRZEMYSOWEJ KATEDRA TECHNIKI CIEPLNEJ I OCHRONY RODOWISKA
ROZPRAWA DOKTORSKA
Modelowanie termicznego procesu utylizacji
odpadw z naturalnymi sorbentami zeolitowymi
Mgr in. Beata Brzychczyk
Promotor: Dr hab. in. Tadeusz Telejko, prof. AGH
Krakw, 2008
2
Spis treci
WYKAZ WANIEJSZYCH OZNACZE I SKRTW ........................................................3 1. WSTP ...............................................................................................................................4 2. AKTUALNY STAN WIEDZY PRZEGLD LITERATURY.......................................7 3. ZAKRES PRACY ..............................................................................................................9 4. WPROWADZENIE W ZAGADNIENIA GOSPODARKI ODPADAMI.......................11 4.1 Podstawowe pojcia i podstawy prawne ......................................................................12 4.2 Charakterystyka grup odpadw....................................................................................13 4.3 Technologie unieszkodliwiania odpadw ....................................................................19 4.4 Termiczne metody unieszkodliwiania i utylizacji odpadw ........................................24 4.5 rodowiskowe aspekty gospodarki odpadami..............................................................42 5. NATURALNE ZEOLITY................................................................................................45 5.1 Charakterystyka zeolitw .............................................................................................45 5.2 Klinoptilolit i mordenit.................................................................................................52 5.3 Zastosowanie zeolitw w ochronie rodowiska ...........................................................54 5.4 Inne zastosowania technologiczne................................................................................61 6. BADANIA EKSPERYMENTALNE...............................................................................62 6.1 Przebieg bada laboratoryjnych ...................................................................................62 6.2 Metodyka wykonanych oznacze laboratoryjnych ......................................................65 6.3 Stanowiska badawcze...................................................................................................66 6.4 Zestawienie wynikw bada i ich omwienie..............................................................72 6.5 Podsumowanie bada eksperymentalnych .................................................................104 7. METODY MODELOWANIA MODELOWANIE STATYSTYCZNE.....................107 7.1 Modele liniowe i nieliniowe.......................................................................................109 7.2 Metoda Monte Carlo...................................................................................................110 7.3 Zastosowane techniki modelowania...........................................................................111 7.4 Program STATISTICA ..............................................................................................112 7.5 Przygotowanie danych................................................................................................112 7.6 Wyniki modelowania i ich omwienie.......................................................................113 7.7 Analiza kanoniczna dla zmiennych tworzcych model..............................................139 8. PODSUMOWANIE I WNIOSKI...................................................................................148 9. LITERATURA...............................................................................................................151 Zacznik 1 .............................................................................................................................160
3
WYKAZ WANIEJSZYCH OZNACZE I SKRTW Symbole zmiennych i metod statystycznych: CO - stenie CO, mg/m3 CO2 - stenie CO2, mg/m
3 CxHx - stenie CxHx, mg/m
3 NO - stenie NO, mg/m3 NOx - stenie NOx, mg/m
3 O2 - stenie O2, mg/m
3 SO2 - stenie SO2, mg/m
3 GLM - oglne modele liniowe GLS - funkcja rozbienoci dla procesu symulacji GRM - oglne modele regresji MC - metoda Monte Carlo MNK - metoda najmniejszych kwadratw Inne oznaczenia: BAT - (Best Available Technique) Standardy najlepszych dostpnych technik EPA - (U.S. Environmental Protection Agency) Agencja Ochrony rodowiska Stanw
Zjednoczonych FBCT (fluidized bed combustion technology) technologie spalania fluidalnego FID - w chromatografii detektor pomieniowo-jonizacyjny IPPC - (Integration Pollution Prevention and Control) Zintegrowane Pozwolenie
rodowiskowe dot. standardw ochrony rodowiska KPGO - Krajowy Plan Gospodarki Odpadami MBP - mechaniczno-biologiczne przetwarzanie odpadw ONZ - Organizacja Narodw Zjednoczonych PCB - polichlorowane bifenyle PCDDs - polichlorowane dibenzoparadioksyny PCDFs - polichlorowane dibenzofurany PKB - Produkt Krajowy Brutto PRTR - (Pollution Release and Transfer Registers) rejestr uwalniania i transferu
zanieczyszcze RDF - (refuse derived fuels) obecnie w przepisach UE solid recovered fuels nazywane
paliwami alternatywnymi, pochodnymi, odzyskanymi, utworzonymi z odpadw SRF - (solid recovered fuels) paliwa wyprodukowane z odpadw SWM - (solid waste management) gospodarka odpadami TCD - w chromatografii detektor uniwersalny cieplno-przewodnociowy WWA - wielopiercieniowe wglowodory aromatyczne
4
1. WSTP
Oglnowiatowy rozwj cywilizacyjny i szybki wzrost uprzemysowienia okupiony
jest postpujc degradacj rodowiska naturalnego i jego podstawowych komponentw,
dla ktrych w cigu ostatniego stulecia zaobserwowano wyrane obnienie parametrw
jakociowych atmosfery, hydrosfery, litosfery oraz biosfery [37,40,189,199].
W przypadku Polski, ktra od pocztku lat dziewidziesitych ubiegego wieku
podlega transformacji spoeczno-gospodarczej, charakteryzujcej si systematycznym
wzrostem PKB (Produkt Krajowy Brutto) i nowym spojrzeniem na sprawy rodowiska
przyrodniczego instytucjonalnie wzmocnionym przystpieniem do Unii Europejskiej wida
pozytywne trendy zmian w gospodarce wodno-ciekowej, ochronie powietrza (szczeglnie
obszarw zurbanizowanych), litosfery oraz biosfery wchodzcej w skad europejskiego
systemu NATURA 2000 [34,35,41,190].
Z czterech podstawowych dziaw ochrony rodowiska (ochrona atmosfery,
hydrosfery, litosfery, biosfery) najtrudniejszym obecnie zagadnieniem do rozwizania na
terenie Unii Europejskiej jest problem zagospodarowania odpadw komunalnych
i przemysowych. Prawie p wieku temu w 1969 roku na forum zgromadzenia Organizacji
Narodw Zjednoczonych (ONZ) wczesny Sekretarz Generalny U.Thant po raz pierwszy
przedstawi raport dotyczcy zagadnie ochrony rodowiska. Dopiero teraz zmiany
wiadomoci spoecznej, zachowanie podmiotw gospodarczych, wzorce dobrego
prorodowiskowego gospodarowania oraz coraz wysze standardy formalno-prawne
powoduj w UE racjonalniejsze wykorzystanie podstawowych elementw rodowiska
przyrodniczego [39].
Dynamiczny rozwj gospodarczy powoduje stay wzrost iloci wytwarzanych
odpadw, ktre w przypadku naszego kraju s unieszkodliwiane w bardzo ekstensywny
sposb poprzez ich deponowanie na wysypiskach. Polska zalicza si do tych pastw UE,
ktre skadaj na wysypiskach i skadowiskach okoo 98% wytwarzanych rocznie odpadw.
Brak innych alternatywnych technologii zagospodarowania odpadw komunalnych
i przemysowych powoduje, e aby dotrzyma standardw unijnych i unijnej hierarchii
postpowania do 2020 roku naley zagospodarowa 4400 tys. odpadw organicznych rocznie
[55,66,158,188]. Zatem wiele uwagi w badaniach naukowych i pracach wdroeniowych
powinno powici si termicznym metodom unieszkodliwiania i utylizacji odpadw
(spalaniu, zgazowaniu i odgazowaniu), poniewa procesy termiczne mog efektywnie
uzupeni sabo funkcjonujce metody biologiczne (kompostowanie) oraz recykling
5
i gospodark surowcami wtrnymi. Wprowadzenie termicznych technologii utylizacji
odpadw daje moliwo wyduenia czasu eksploatacji istniejcych wysypisk, ktrych
w Polsce jest obecnie ponad 1000 [56] a take wykorzystania odpadw jako cennych
produktw w cyklu waloryzacji materiaowej, chemicznej czy te termicznej [104].
Promujc termiczne metody nie mona pomin zagroe rodowiskowych
zwizanych z biec eksploatacj poszczeglnych technologii i niepoprawnym ich
stosowaniem. Najpowaniejsze zwizane s z tworzeniem si rnych toksycznych substancji
poprocesowych niebezpiecznych dla rodowiska i czowieka. Powodem tego jest midzy
innymi niejednorodno fizyko-chemiczna strumienia odpadw (zmienny skad wsadu) oraz
wiele niestacjonarnych parametrw procesowych. Majc na wzgldzie powysze zagroenia
Autor niniejszej rozprawy podj problem ich ograniczenia w procesach termicznych
z zastosowaniem naturalnych sorbentw zeolitowych: klinoptilolitu i mordenitu. Zeolity
nale do rodziny glinokrzemianw, krystalicznych zwizkw, w ktrych gwnymi
skadnikami s glin i krzem [12]. Podstawowym elementem budowy szkieletu jest tetraedr
(Si, Al)O4, ktrego centrum obsadzone jest atomem krzemu lub glinu, naroa za zajmuj
cztery atomy tlenu zapewniajc otwarte struktury kanaw o duej aktywnej powierzchni
sorpcyjnej. Taka budowa wpywa na proces dyfuzji, ktry moe przebiega powierzchniowo
lub do wntrza w przypadku pierwiastkw i zwizkw o rednicy mniejszej bd rwnej
oknom wlotowym zeolitu [5]. Klinoptilolit i mordenit nale do zeolitw
wysokokrzemowych odznaczajcych si stosunkowo wysok odpornoci termiczn. Z uwagi
na swoje wasnoci mog predystynowa do zastosowania ich nie tylko w skali laboratoryjnej
ale przede wszystkim technicznej jako tani materia sorbujcy niepodane frakcje
zanieczyszcze z procesu termicznej utylizacji odpadw [13].
Naley wspomnie, e w Katedrze Techniki Cieplnej i Ochrony rodowiska AGH od
wielu lat prowadzi si badania nad zastosowaniem termicznych metod do unieszkodliwiania
i utylizacji rnych grup odpadw przemysowych i komunalnych z pozytywnym skutkiem
[90,92,93,96,97]. Przy tak bogatych dowiadczeniach KTCiO naturaln konsekwencj jest
podjcie przez Autora problemu modyfikacji przebiegu procesu termicznego poprzez
zastosowanie naturalnych sorbentw zeolitowych do ograniczenia emisji szkodliwych
zanieczyszcze poprocesowych.
Niniejsza rozprawa zawiera IX rozdziaw. W czci literaturowej Autor
zaprezentowa oglne zagadnienia dotyczce funkcjonowania systemu gospodarki odpadami
ze szczeglnym uwzgldnieniem, w tym systemie termicznych metod unieszkodliwiania
i utylizacji odpadw, moliwoci aplikacyjne naturalnych sorbentw zeolitowych w inynierii
6
rodowiska. W czci badawczej przedstawiono szerokie spektrum wynikw pozyskanych
w trakcie prowadzenia eksperymentw laboratoryjnych z zakresu unieszkodliwiania
i utylizacji rnych grup odpadw (komunalnych i przemysowych) z zastosowaniem
naturalnych zeolitw (klinoptilolitu i mordenitu) do redukcji zanieczyszcze poprocesowych.
Na podstawie wybranych bada laboratoryjnych przeprowadzono komputerow obrbk
danych, ktra zaowocowaa utworzeniem na bazie analizy statystycznej modeli
statystycznych redukcji podstawowych zanieczyszcze gazowych na zoach zeolitowych. Do
analizy komputerowej danych zastosowano program komputerowy STATISTICA oraz
metod Monte Carlo do poszerzenia zakresu pakietw z danymi wejciowymi
i walidacyjnymi ograniczajc kosztochonno eksperymentw laboratoryjnych. Dla metody
Monte Carlo utworzono w programie STATISTICA algorytmy procedur w jzyku Visual
Basic. Akademia Grniczo-Hutnicza jest uytkownikiem programu STATISTICA i posiada
na niego aktualn licencj.
Analiza moliwoci zastosowania w termicznych procesach utylizacji odpadw
naturalnych zeolitw jako aktywnych wypenie sorpcyjnych poparta eksperymentami
laboratoryjnymi jest wanym osigniciem poznawczym niniejszej pracy i ma ogromne
znaczenie dla podejmowania wszelkich decyzji wdroeniowych w tej dziedzinie.
Niniejsza praca zostaa wykonana w ramach grantu promotorskiego umowa
nr 18.25.110.694 finansowanego przez Ministerstwo Edukacji i Szkolnictwa Wyszego
w latach 2006 i 2007 przez okres 18-tu miesicy.
7
2. AKTUALNY STAN WIEDZY PRZEGLD LITERATURY
Z uwagi na wako problematyki gospodarki odpadami dla wspczesnej gospodarki
i rodowiska naturalnego, kadego roku coraz wiksza rzesza decydentw, naukowcw,
publicystw i reporterw podejmuje j publikujc swoje prace. Rokrocznie organizowanych
jest wiele spotka, seminariw i konferencji naukowych powiconych tej tematyce i coraz
peniej jest ona dokumentowana na stronach internetowych. Zatem, dokonanie penego
przegldu literatury z tego zakresu jest trudnym zadaniem.
Autor niniejszej pracy dokona szerokiego przegldu literatury obcojzycznej
i krajowej wprowadzajc zawajce kryterium tematyczne zwizane z potrzebami rozprawy.
Przegld literatury zosta wykonany w oparciu o ksiki i monografie naukowe, publikacje
oraz materiay konferencyjne prezentujce zagadnienia zwizane z zastosowaniem
termicznych metod do unieszkodliwiania i utylizacji odpadw oraz szerokie spektrum prac
dotyczce zastosowania naturalnych i sztucznych zeolitw w inynierii rodowiska.
Na podstawie dokonanego przegldu znaczna cz tych prac znalaza si w rozprawie
jako rdo cytowa (ponad 200 pozycji literaturowych dotyczcych gospodarki odpadami,
zeolitw i ich zastosowa oraz zagadnie modelowania statystycznego) jednak wiele pozycji
nie zostao wprowadzonych do pracy z uwagi na niepene merytorycznie materiay lub
z uwagi na due zaangaowanie autora lobbujcego na rzecz firm wdraajcych omawiane
technologie i daleko posunity brak obiektywizmu.
W przypadku analizy literatury dotyczcej zeolitw naturalnych przegld obejmowa,
podobnie jak dla gospodarki odpadami, ksiki, monografie naukowe, publikacje oraz
materiay konferencyjne z t jednak rnic, e dotyczy pozycji z bardzo szerokiego zakresu
od geologii i mineralogii a po specyficzne zastosowania w przemyle chemicznym
(papierniczym, gumowym, tworzyw sztucznych), rolnictwie, biotechnologii i oczywicie
ochronie rodowiska. W trakcie analizy literatury dla zeolitw naturalnych, nieodzownym
okazao si studium opracowa dotyczcych zastosowania syntetycznych zeolitw
w procesach przemysowych, poniewa Autorzy tych pozycji implementuj wybrane
wasnoci naturalnych zeolitw wzmacniajc je dla specyficznych jednostkowych potrzeb
rozpatrywanej technologii lub zadania.
Podstawowym wnioskiem wynikajcym z przegldu literatury z trzech ostatnich
dekad jest niezaprzeczalny fakt widocznego postpu w rozwoju nowych termicznych
technologii unieszkodliwiania odpadw. W przypadku zeolitw wida ogromn rnorodno
zastosowa w przemyle i gospodarce narodowej, jednak rwnoczenie stwierdzono, e nie
8
ma bogatego dorobku literaturowego dotyczcego zastosowania naturalnych zeolitw
w procesach termicznej utylizacji odpadw i dokumentujcego osignicia bada
eksperymentalnych o podobnym charakterze jak te, ktre znalazy si w niniejszej rozprawie.
9
3. ZAKRES PRACY
W pracy wiodcym problemem s zagadnienia zwizane z badaniem i modelowaniem
(ksztatowaniem) przebiegu procesu termicznej destrukcji rnych grup odpadw
(komunalnych i przemysowych), analizy gwnych parametrw procesowych w celu
efektywniejszego unieszkodliwienia lub utylizowania tych odpadw z zastosowaniem
naturalnych sorbentw zeolitowych ograniczajc w ten sposb szkodliwe oddziaywanie
procesu na rodowisko naturalne nie tylko w skali laboratoryjnej ale rwnie technicznej.
W celu zapewnienia redukcji szkodliwych emisji poprocesowych zastosowano
naturalne zeolity: klinoptilolit i mordenit, ktre ze wzgldy na swj przyjazny dla rodowiska
charakter maj szans zosta wykorzystane w termicznych metodach unieszkodliwiania
i utylizacji odpadw jako materia sorpcyjno-katalityczny. Uycie w procesach termicznego
unieszkodliwiania odpadw materiau sorbujcego determinuje konieczno podjcia prby
oceny jego stosowalnoci i wpywu na zjawiska sorpcji zanieczyszcze poprocesowych.
W rozprawie to zagadnienie dotyczy podstawowych zanieczyszcze gazowych oraz zakresu
zmiany ich ste.
Praca ma nie tylko charakter poznawczo-teoretyczny, ale przede wszystkim wymiar
praktyczny. Podstawowym celem bada jest zgbienie wiedzy dotyczcej wpywu
naturalnych zeolitw na procesy ograniczenia szkodliwych emisji zanieczyszcze
z unieszkodliwiania i utylizacji wybranych grup odpadw komunalnych i przemysowych
a nastpnie opisanie ich w procesie modelowania matematycznego z wykorzystaniem technik
komputerowych. W tej materii niniejsza praca odwouje si do podstawowych technik
statystycznych umoliwiajcych tworzenie modeli predykcyjnych, ktre mimo, e s
znacznym uproszczeniem rzeczywistoci to jednak w warunkach praktycznych s
akceptowalne, jeeli ich dokadno jest wystarczajca. Modele tego typu s konstruowane za
pomoc metod analizy regresji i wymagaj od badacza wiedzy statystycznej i dysponowania
danymi eksperymentalnymi speniajcymi formalne zaoenia tej analizy. W przypadku
kosztownych bada laboratoryjnych z zakresu termicznych metod unieszkodliwiania
odpadw proces rozszerzenia baz danych zosta skutecznie wsparty zastosowaniem metody
Monte Carlo.
Dla tak szeroko przyjtego celu pracy podjto do zrealizowania nastpujce zadania:
o przeprowadzenie szerokiej analizy literaturowej dotyczcej podstawowych zagadnie
zwizanych z funkcjonowaniem systemu gospodarki odpadami w Polsce i UE, przegldu
10
termicznych metod stosowanych do unieszkodliwiania i utylizacji rnych grup odpadw,
oraz zakresu wykorzystania naturalnych zeolitw w ochronie rodowiska,
o przeprowadzenie eksperymentw laboratoryjnych termicznych procesw
unieszkodliwiania i utylizacji odpadw komunalnych i przemysowych z zastosowaniem
naturalnych zeolitw procesu spalania gazowych produktw z odgazowania i zgazowania
odpadw na palniku kinetycznym, procesu spalania fluidalnego odpadw na staym
i fluidalnym zou zeolitowym jedno i wielowarstwowym, odgazowania (wytlewania
i pirolizy) odpadw, zgazowania staych pozostaoci z procesu odgazowania,
o wybr i analiza odpowiednich naturalnych zeolitw waciwych dla metod termicznych,
o budowa lub modyfikacja stanowisk laboratoryjnych na potrzeby eksperymentw dla
termicznych metod utylizacji rnych grup odpadw z zastosowaniem zeolitw,
o utworzenie pakietw z danymi baz danych z eksperymentw laboratoryjnych,
o analiza statystyczna danych wykorzystanie podstawowych statystyk w ramach programu
komputerowego STATISTICA,
o zastosowanie metody Monte Carlo do rozszerzenia wejciowych baz danych
z eksperymentu, utworzenie algorytmw wykorzystywanych przez modu SEPATH
programu STATISTICA,
o utworzenie modeli predykcyjnych redukcji podstawowych zanieczyszcze gazowych na
bazie teorii analizy statystycznej z zastosowaniem programu komputerowego
STATISTICA dla tworzenia zaawansowanych modeli liniowych i nieliniowych,
o analiza osignitych wynikw i podsumowanie pracy.
11
4. WPROWADZENIE W ZAGADNIENIA GOSPODARKI ODPADAMI
Cel niniejszej rozprawy wymaga wprowadzenia podstawowych, formalnych
zagadnie systemowych warunkujcych aktualny stan i wyjaniajcych funkcjonowanie
gospodarki odpadami (SWM) w peniejszym kontekcie [20].
Odpady to wszystkie substancje stae, a take nie bdce ciekami substancje cieke
powstae w wyniku bytowej i gospodarczej dziaalnoci czowieka, nieprzydatne w miejscu
i w czasie, w ktrym powstay oraz uciliwe dla rodowiska naturalnego. Zgodnie
z obowizujc nomenklatur prawn odpady oznaczaj kad substancj lub przedmiot
nalecy do jednej z kategorii okrelonych w zaczniku nr 1 do ustawy z dnia 27 kwietnia
2001 r. o odpadach (Dz. U. Nr 62, poz. 628 z pn. zmianami), ktrych posiadacz pozbywa
si, zamierza pozby si lub do ich pozbycia si jest zobowizany.
Zatem, kady system gospodarki odpadami skada si z nastpujcych elementw:
o obszaru powstawania odpadw, gdzie nastpuje segregacja, gromadzenie i jak najszybsze
usunicie odpadw z terenu jednostki osadniczej,
o obiektw porednich: stacje przeadunkowe, sortownie, kompostownie, zakady
termicznego unieszkodliwiania i utylizacji odpadw oparte na procesach spalania,
zgazowania, odgazowania, zakady produkcji RDF lub SRF, skadowiska lokalne, ktrych
ilo i rodzaj zaley od struktury systemu a ich zadaniem jest poprawa efektywnoci
dziaania gospodarki odpadami,
o obiekty kocowe: wysypiska, na ktrych nastpuje ostateczne skadowanie odpadw
[20, 54, 63, 74].
Dziaanie tak zoonego systemu uzalenione jest od bardzo wielu czynnikw. Jednak
do gwnych danych wejciowych naley wymieni: ludno, struktur socjaln, zwyczaje
ludnoci i funkcjonujce wzorce konsumpcyjne, przyrost produktw, rozwj rodkw
produkcji, moliwoci zbytu produktw z odpadw, nagromadzenie odpadw, infrastruktura
komunikacyjna, rodki transportu, stan rodowiska naturalnego i jego obcienie,
wykorzystanie terenu, rda i sposoby finansowania, legislacyjne uregulowania, rodki
kontrolne wraz z ocen realizacji zaoonych celw [63,69, 80,174,187].
Powysze zagadnienia ujto w kolejnych czciach tego rozdziau wprowadzajc
ogln ich charakterystyk.
12
4.1 Podstawowe pojcia i podstawy prawne Podstawowe pojcia z zakresu gospodarowania odpadami zostay podane w nowej
ustawie o odpadach i zostay podporzdkowane obowizujcym obecnie dyrektywom
UE [36]. Mimo woonego wysiku w prace ujednolicajce nazewnictwo z tego zakresu
funkcjonuje wiele terminw przyjtych zwyczajowo, zapoyczonych z obcych jzykw nie
zawsze zgodnych z aktualnymi wymaganiami. Nazewnictwo, jakim posuono si
w niniejszej rozprawie zostao przywoane jedynie dla pojawiajcych si omawianych
zagadnie.
Obowizujca w Polsce od 1 stycznia 1998 roku, a uchwalona przez Sejm RP w dniu
27.06.1997 ustawa o odpadach, w art. 3 pkt. 1 definiuje je nastpujco:
Odpadami s wszystkie przedmioty oraz substancje stae, a take nie bdce ciekami
substancje cieke powstae w wyniku prowadzonej dziaalnoci gospodarczej lub bytowania
czowieka i nieprzydatne w miejscu lub czasie, w ktrym powstay. Za odpady uwaa si
rwnie osady ciekowe.
W art. 3 pkt. 2 zdefiniowane zostay odpady niebezpieczne: s to te odpady, ktre ze
wzgldu na swoje pochodzenie, skad chemiczny, biologiczny, inne waciwoci
i okolicznoci stanowi zagroenie dla ycia lub zdrowia ludzi albo dla rodowiska.
W art. 3 pkt. 3 zdefiniowane zostay odpady komunalne, jako stae i cieke odpady
powstajce w gospodarstwach domowych, w obiektach uytecznoci publicznej i obsugi
ludnoci, w tym nieczystoci gromadzone w zbiornikach bezodpywowych, porozrzucane
wraki pojazdw mechanicznych oraz odpady uliczne, z wyjtkiem odpadw niebezpiecznych
z zakadw opieki zdrowotnej i weterynaryjnej.
Unieszkodliwianie odpadw polega na poddaniu odpadw procesom przeksztace
biologicznych, fizycznych lub chemicznych w celu doprowadzenia ich do stanu, ktry nie
stwarza zagroenia dla ycia, zdrowia ludzi lub dla rodowiska. Do procesw
unieszkodliwiania odpadw zalicza si m.in. skadowanie na skadowiskach, obrbk
w glebie i ziemi, retencj powierzchniow (np. umieszczanie odpadw na poletkach
osadowych lub lagunach), termiczne przeksztacanie odpadw.
Przez termiczne przeksztacanie odpadw rozumie si procesy utleniania odpadw,
w tym spalania, zgazowywania lub rozkadu odpadw, w tym rozkadu pirolitycznego,
prowadzone w przeznaczonych do tego instalacjach lub urzdzeniach (m.in. spalarniach
odpadw) na zasadach okrelonych w przepisach szczegowych.
13
Skadowisko odpadw jest to obiekt budowlany przeznaczony do skadowania
odpadw. Wyrnia si nastpujce trzy typy skadowisk odpadw: skadowisko odpadw
niebezpiecznych, skadowisko odpadw obojtnych oraz skadowisko odpadw innych ni
niebezpieczne i obojtne. Przez odpady skadowane naley rozumie odpady usunite na
skadowiska (wysypiska, hady, stawy osadowe) wasne zakadw lub obce.
Podstawow zasad prawa ochrony rodowiska w Unii Europejskiej jest
przeciwdziaanie powstawaniu odpadw, oraz regua zgodnie, z ktr koszty utylizacji
i unieszkodliwiania odpadw ponosi ich wytwrca. Zwizana jest z tym cile koncepcja
czystej produkcji [114]. Akty prawne Unii Europejskiej dotyczce rodowiska stay si
punktem odniesienia oraz modelem wsppracy dla wielu pastw. Unia przyja wiele aktw
prawnych ukierunkowanych na przywrcenie waciwego stanu rodowiska i jego ochron.
Najczciej s to dyrektywy, a w mniejszym stopniu decyzje i rozporzdzenia. Wykaz
obowizujcych aktw prawnych Unii Europejskiej zwizanych z gospodark odpadami
w zaczniku nr 1.
4.2 Charakterystyka grup odpadw
Odpady mona podzieli ze wzgldu na ich rodzaj [203]:
o odpady komunalne,
o odpady przemysowe,
o osady ciekowe,
ze wzgldu na konsystencj:
o stae,
o cieke,
ze wzgldu na inne cechy np.:
o niebezpieczne,
o inne ni niebezpieczne.
Odpady komunalne to odpady powstajce w gospodarstwach domowych a take
odpady niezawierajce odpadw niebezpiecznych, pochodzcych od innych wytwrcw
odpadw, ktre ze wzgldu na swj charakter lub skad s podobne do odpadw
powstajcych w gospodarstwach domowych (Dz.U. z 2001 r. Nr 62, poz. 628). Odpady
komunalne maj zmieniajcy si heterogeniczny charakter, ktry zaley od wielu czynnikw.
Wrd gwnych strumieni wchodzcych w skad odpadw komunalnych wyrniamy:
o odpady domowe,
o odpady wielkogabarytowe,
14
o odpady uliczne,
o odpady z obiektw publicznych,
o odpady z terenw zielonych,
o ld i nieg,
o urobek ziemny z prac budowlanych,
o gruz z remontw i rozbirki budynkw,
o odpady niebezpieczne ok. 1,3 kg/rok na jednego mieszkaca w Polsce [20, 54].
rdami powstawania odpadw komunalnych s: gospodarstwa domowe, obiekty
infrastruktury (handel, usugi, rzemioso).
Z uwagi na skad, waciwoci technologiczne oraz warunki i miejsce powstawania
wyrnia si: odpady domowe zwizane z bytowaniem ludzi w domach mieszkalnych (bloki,
kamienice, domy jednorodzinne), odpady z obiektw uytecznoci publicznej i obsugi
ludnoci, m.in. z handlu i usug, szkolnictwa (podstawowe, rednie), lecznictwa otwartego
i szpitali, odpady z terenw otwartych, odpady: uliczne z koszy, zmiotki z placw targowych,
z cmentarzy, zieleni miejskiej oraz odpady wielkogabarytowe jak zuyte meble, sprzt
gospodarstwa domowego, zuyty sprzt elektroniczny. Tabela 4.1 ilustruje dane
wytworzonych odpadw w latach 1990-2005 [55,56].
Tab. 4.1 Odpady wytworzone w Polsce w cigu roku w latach 1990 2005 [55,56]
1990 1995 20002) 20012) 20023) 20033) 20043) 20053) w tysicach Mg ogem
154959 133647 137710 134919 128403 130476 133763 133956
z tego - odpady (z wyczeniem odpadw
komunalnych), - odpady
komunalne
1438611)
11098
1226621)
10985
125484
12226
123810
11109
117894
10509
120551
9925
124004
9759
124602
9354 1)
Informacje o odpadach za lata 1990-1997 dotycz odpadw przemysowych uciliwych dla rodowiska.
2) Informacje o odpadach za lata 1998-2001 opracowane zostay w oparciu o ustaw z dnia 27 czerwca
1997r. o odpadach (Dz. U. Nr 96, poz. 592 z pn. zmianami) oraz zgodnie z klasyfikacj odpadw
wprowadzon rozporzdzeniem Ministra Ochrony rodowiska, Zasobw Naturalnych i Lenictwa z dnia 24
grudnia 1997 r. (Dz. U. z 1997 r. Nr 162, poz. 1135). Z tego powodu dane od 1998r. nie s porwnywalne
z danymi za lata poprzednie. 3)
Dane o odpadach za lata 2002-2005 opracowano w oparciu o ustaw z dnia 27 kwietnia 2001r.
o odpadach (Dz. U. z 2001r. Nr 62, poz. 628 z pn. zmianami), ktra wesza w ycie w dniu 1 padziernika
2001r. oraz o Katalog odpadw, wprowadzony w ycie dnia 1 stycznia 2002r. rozporzdzeniem Ministra
rodowiska (Dz. U. z 2001r., Nr 112, poz. 1206). Katalog odpadw dzieli odpady na grupy, podgrupy i rodzaje,
15
uwzgldniajc rda ich powstawania. Prezentowane w dziale dane o odpadach dotycz pierwszych 19 grup
odpadw i nie obejmuj danych o odpadach komunalnych (grupa 20 katalogu, ostatnia).
W 2005 r. w Polsce wg GUS spalaniu poddane zostay tylko odpady z miast z sektora
publicznego. Najwicej deponowanych na skadowisko odpadw powstawao w miecie, bo
a 84%. W tabeli 4.2 zaprezentowano w zalenoci od sektora i obszaru zamieszkania ilo
powstaych odpadw komunalnych
Tab. 4.2 Odpady komunalne wedug form wasnoci, miast i wsi w Polsce w 2005 r. [56]
sektory z ogem wyszczeglnienia ogem
publiczny prywatny miasta obszary wiejskie
odpady komunalne [tys. ton] 9354 4146 5208 73721) 1385
w tym unieszkodliwione [tys. ton] 9057 4086 4971 7672 1385 termicznie 44 44 0 44 0 biologicznie 318 283 35 305 13 wysegregowane ze zmieszanych 71 18 53 62 9 zdeponowanych na skadowiskach 8623 3740 4883 7260 1363
1) bez wyselekcjonowania.
W 2005r. poddano odzyskowi ok. 79,2% odpadw (z wyczeniem odpadw
komunalnych), czasowemu magazynowaniu - 3,2%, a unieszkodliwieniu - 17,6% z czego
ponad 76,1% trafio na skadowisko odpadw. Dla porwnania ilo wytworzonych odpadw
w 2004 do roku nastpnego bya mniejsza o 0,5%, a mimo to odzyskowi poddano tylko
78,5%. Wynika to z tego, e wicej odpadw zostao poddane procesom unieszkodliwiania
(18,2%). Podobne sytuacje miay miejsce w poprzednich latach i tak w 2000r. gdzie odzysk
odpadw by na poziomie 76,9%, a ilo unieszkodliwiona - 20% w tym 90% stanowiy
odpady deponowane na wysypiskach.
Odpady ulegajce biodegradacji poddawane s przeksztaceniu biologicznemu.
Ponadto cz wytworzonych odpadw ulegajcych biodegradacji, zwaszcza na wsiach lub
w maych miastach, jest zagospodarowywana we wasnym zakresie przez mieszkacw.
Szacuje si, e ok. 70% odpadw ulegajcych biodegradacji wytworzonych na wsiach oraz
15% tych odpadw w maych miastach wykorzystuje si do kompostowania, skarmiania
zwierzt oraz spala si w paleniskach domowych. Ilo tych odpadw oszacowano cznie
w 2004r. na poziomie ok. 770 tys. Mg [55]. Zatem, naley stwierdzi, e wanym
strumieniem odpadw biodegradowalnych jest biomasa.
16
Biomasa
Najwaniejsz pozycj energetyczn biomasy stanowi odpady z drewna, somy,
osady ciekowe, makulatura itp., ktre stosowane s jako stae paliwo zastpcze lub po
przetworzeniu na oleje i alkohole jako paliwa cieke. Ponadto powan pozycj w bilansie
energetycznym stanowi moe take biogaz z wysypisk mieci i procesw fermentacji
osadw ciekowych.
Do najwikszych producentw biomasy zaliczy mona przemys celulozowo
papierniczy i rolnictwo. Majc na uwadze warto opaow biomasy, somy lub drewna
rwn okoo 50% wartoci opaowej wgla kamiennego, mona wyliczy, e pene
wykorzystanie np. nadwyki somy w polskim rolnictwie pozwolioby na zaoszczdzenie 5%
kopalnych paliw staych [99].
Biomasa jest substancj organiczn o oglnym wzorze chemicznym (CH2O)n.
Wytwarzana gwnie przez roliny zielone, powstaje na drodze procesu fotosyntezy
w wyniku reakcji dwutlenku wgla i wody kosztem energii wietlnej zgodnie z rwnaniem:
6 CO2 + 6 H2O + energia wietlna C6H12O6 + 6 O2
Inaczej jest to zakumulowana w rolinach energia soneczna w postaci otrzymanej przez licie
radiacji. Poniewa fotosynteza odbywa si na ldach i morzach wszdzie tam, gdzie
dochodzi wiato, gdzie jest woda i odpowiednia dla rolin temperatura, dlatego biomas
traktuje si jako odnawialne rdo energii. Dla przyblienia charakterystycznych parametrw
biomasy poniej zostay przedstawione w tabeli 4.3 wasnoci biomasy pod postaci drewna
na tle tradycyjnych paliw.
Tab. 4.3 Analiza elementarna wybranych paliw [141]
paliwo C %
H %
O %
N+S %
warto opaowa MJ/kg
drewno 50 6 43 1 14,5 wgiel brunatny 70 5 24 0,8 21 wgiel kamienny 82 5 12 0,8 30 ropa naftowa 89 8.4 2 0,6 47 gaz ziemny 86 6,5 0,1 7,4 48
W tabeli 4.3 zamieszczono drewno jako reprezentanta biomasy, jednak zasoby
energetyczne biomasy nie ograniczaj si jedynie do drewna. Tabela 4.4 przyblia inne
rodzaje nonikw energii nalece do biomasy wraz z charakterystycznymi parametrami.
17
Tab. 4.4 Skadniki wchodzce w skad biomasy i ich charakterystyczne parametry [179]
rodzaj biomasy warto opaowa MJ/kg
gsto g/cm3
wilgotno %
popi %
soma 14,4 1,31,4 6,2 6,0 trociny 16,8 0,91,1 6,1 1,4 cinki drzewne 15,9 0,10,5 16,6 7,0 siano 8-9 0,10,3 8,4 1012
Dane wskazuj, e biomasa moe by wykorzystana jako potencjalne rdo energii,
natomiast pene oszacowanie zasobw energetycznych biomasy jest zadaniem
skomplikowanym i do kopotliwym z uwagi na roczn zmienno jej produkcji oraz
niejednorodno form wystpowania. Wanym zagadnieniem jest wyselekcjonowanie tych
strumieni biomasy, ktrych zasoby s na tyle due, e mogyby zosta wykorzystane na skal
przemysow gospodarczo [100].
Odpady przemysowe i niebezpieczne
Odpady inne ni komunalne i niebezpieczne tzw. przemysowe stanowi najwikszy
strumie odpadw wytwarzanych w Polsce. Odpady te powstaj gwnie w tzw. sektorze
gospodarczym, za ktry uwaa si poszczeglne brane przemysu, rolnictwo, rzemioso
[188]. W 2004 roku zinwentaryzowano okoo 121 mln Mg odpadw innych ni komunalne
i niebezpieczne, co stanowi okoo 90 % wszystkich odpadw wytworzonych Polsce w 2004
(tab. 4.5). Najwiksze iloci odpadw powstaj w przemyle wydobywczym - 58,3% caoci
wytwarzanych odpadw, w przemyle energetycznym - 23%, rolno-spoywczym - 7,3% oraz
instalacji i urzdze sucych zagospodarowaniu odpadw z oczyszczalni ciekw oraz
uzdatniania wody pitnej i wody do celw przemysowych - 4,7% [56]. Najwiksze iloci
odpadw wytwarzane s w rejonie Polski poudniowej, w wojewdztwie lskim,
dolnolskim i maopolskim. Najmniejsze iloci odpadw powstaj w wojewdztwach
lubuskim, warmisko-mazurskim oraz podlaskim. Z oglnej iloci wytworzonych odpadw
(okoo 121 mln Mg) procesom odzysku poddano okoo 96 mln Mg (okoo 80%),
a unieszkodliwieniu okoo 21 mln Mg (okoo 17%).
Odpady unieszkodliwiano nastpujcymi metodami:
o termiczne: ok. 190 tys. Mg,
o biologiczne: ok. 37 tys. Mg,
o skadowanie na skadowiskach wasnych i innych: ok. 16,6 mln Mg,
o w inny sposb: ok. 4,4 mln Mg.
18
Tab. 4.5 Ilo wytwarzanych odpadw innych ni niebezpieczne i komunalne oraz sposoby ich zagospodarowania w 2004 r. w Polsce [55]
unieszkodliwione grupa
odpady wytworzone
poddane odzyskowi razem termicznie
kompostowanie
skadowane
inne magazynowanie
nagromadzone na
skadowiskach
01 70504,8 61033,7 8868,7 - - 8850,6 18,1 602,4 1266255,0 02 8868,7 7724,9 693,3 72,2 34,8 289,8 296,5 450,50 1207,4 03 2430,3 2156,4 195,2 97,2 - 72,0 26,0 78,7 1141,5 04 95,4 7,7 49,5 1,3 - 11,4 36,8 38,2 139,9 05 405,1 3,2 401,8 1,4 - 0,1 400,3 0,1 4,4 06 2271,8 198,5 2066,4 - 0,9 2025,8 39,7 6,9 91691,7 07 195,8 113,2 27,2 0,2 - 24,1 2,9 55,4 5026,3 08 22,4 8,6 8,6 0,6 - 1,7 6,3 5,2 10,9 10 27860,1 20874,2 5036,4 9,7 - 4691,0 335,7 1949,5 331165,9 11 8,7 6,7 2,0 0,8 - 0,4 0,8 - 32,4 12 596,6 538,5 49,9 - - 30,5 19,4 8,2 34,6 16 204,2 117,9 76,6 - - 40,8 35,6 9,9 872,2 17 1811,3 1225,5 267,5 0,7 - 232,5 34,3 318,3 230788,8 19 5664,8 2050,4 3421,1 3,2 1,7 298,8 3117,5 193,2 14029,0
razem 120940,0 96059,4 21164,3 187,3 37,4 16569,9 4369,9 3716,5 1942400,0
Na terenie kraju w 2005 roku funkcjonowao okoo 2000 instalacji i urzdze do
odzysku i unieszkodliwienia odpadw innych ni niebezpieczne i komunalne. Najwicej
instalacji i urzdze do unieszkodliwienia odpadw zlokalizowanych jest w wojewdztwie
lskim (okoo 20%), kujawsko-pomorskim (12%), dolnolskim (10%), pomorskim (10%)
i maopolskim (9%) [188,191].
Podstawowym rdem powstawania odpadw niebezpiecznych jest dziaalno
przemysowa i usugowa. Odpady niebezpieczne powstaj rwnie w gospodarstwach
domowych, subie zdrowia, szkolnictwie oraz w dziedzinie obronnoci. Odpadami
niebezpiecznymi s odpady nalece do kategorii lub rodzajw odpadw okrelonych na
licie A zacznika nr 2 do ustawy oraz posiadajce co najmniej jedn z waciwoci
wymienionych w zaczniku nr 4 do ustawy lub nalece do kategorii lub rodzajw odpadw
okrelonych na licie B zacznika do ustawy i zawierajce ktrykolwiek ze skadnikw
wymienionych w zaczniku nr 3 do ustawy oraz posiadajce co najmniej jedn z waciwoci
wymienionych w zaczniku nr 4 do ustawy. W 2004r. wytworzono w Polsce okoo 1 680 tys.
Mg odpadw niebezpiecznych. Najwiksza ilo odpadw niebezpiecznych pochodzia
z nastpujcych gazi przemysu:
o hutnictwa elaza,
o hutnictwa oowiu, cynku i miedzi,
o przemysu chemicznego,
o przemysu naftowego,
a najmniejsze z przemysu skrzanego, futrzarskiego i tekstylnego.
19
Struktura gospodarowania odpadami niebezpiecznymi w Polsce wyglda w sposb
nastpujcy: na terenie kraju w 2005 roku zlokalizowanych byo okoo 500 instalacji
i urzdze do odzysku i unieszkodliwiania odpadw niebezpiecznych, w tym okoo 35
skadowisk oraz okoo 100 instalacji do termicznego przeksztacania odpadw [188,194].
Szczegln grup odpadw niebezpiecznych s odpady olejowe. Na wiecie rocznie
sprzedaje si okoo 40 milionw Mg rnego rodzaju olejw smarowych. Oleje smarowe s
cieczami przeznaczonymi do smarowania urzdze technicznych, gwnie w celu
zmniejszenia tarcia i chodzenia wsppracujcych czci oraz ochrony elementw
metalowych przed korozj. W procesach ich uytkowania zuywa si okoo 45% ich masy
a 55% pozostaje w postaci oleju przepracowanego stanowicego odpad. W Polsce kadego
roku wykorzystuje si okoo 360 tys. Mg olejw wieych. Do zagospodarowania pozostaje
blisko 199 tys. Mg olejw zuytych. W rnych krajach pojcie odpadw jakimi s zuyte
substancje olejowe jest definiowane zrnicowanie. W Polsce oleje odpadowe to wszelkie
oleje smarowe lub przemysowe, ktre nie nadaj si ju do zastosowania, do ktrego byy
pierwotnie przeznaczone, a w szczeglnoci zuyte oleje z silnikw spalinowych i oleje
przekadniowe, a take oleje smarowe, oleje turbinowe i oleje hydrauliczne. Inaczej ujmujc
olejami przepracowanymi s produkty naftowe, ktre w warunkach eksploatacji utraciy
wasnoci fizyczne i chemiczne okrelone normami przedmiotowymi dla olejw wieych
(BN-74/0535-08 Oleje mineralne przepracowane) [87,91,110]. Przepracowane emulsje i oleje
odpadowe s przykadem odpadw trudnych do zagospodarowania ze wzgldu nie tylko na
ich rozproszenie, koszty instalacji do przerbki ale przede wszystkim ze wzgldu na
wszelkiego rodzaju dodatki suce polepszeniu ich waciwoci uytkowych. W celu
zwikszenia ich trwaoci, dodawane s do nich zwizki uszlachetniajce w iloci od kilku
setnych do kilku (nawet 20%) procent, ktre maj za zadanie np.: zwikszenie lepkoci,
obnienie temperatury krzepnicia, zwikszenie pynnoci olejw w niskiej temperaturze,
zwikszenie odpornoci na utlenianie, poprawienie wasnoci smarnych [94,105].
4.3 Technologie unieszkodliwiania odpadw Unieszkodliwianie odpadw polega na poddaniu odpadw procesom przeksztace
biologicznych, fizycznych lub chemicznych okrelonym w zaczniku nr 6 do ustawy w celu
doprowadzenia ich do stanu, ktry nie stwarza zagroenia dla ycia, zdrowia ludzi lub
rodowiska. Natomiast, utylizacja to unieszkodliwienie odpadw z wykorzystaniem w trakcie
20
procesu produktw porednich lub energii. Zatem, podzia procesw unieszkodliwiania
i utylizacji odpadw mona przedstawi w nastpujcej postaci [74,154,203]:
1. skadowanie odpadw,
2. metody biologiczne,
3. metody termiczne (wybrane):
o spalanie;
o odgazowanie (wytlewanie, piroliza);
o zgazowanie;
o procesy skojarzone;
o spalanie w plazmie.
4. przerbka na paliwo (SRF, RDF),
5. obrbka w glebie i ziemi.
Skadowanie odpadw
Skadowisko odpadw, dla ktrego pozyskiwanie nowych terenw staje si coraz
trudniejsze, jest to urzdzony i zlokalizowany zgodnie z przepisami obiekt budowlany
przeznaczony do skadowania odpadw przemysowych lub komunalnych. Na skadowisku
gromadzi mona tylko te odpady, ktrych unieszkodliwienie w inny sposb jest niemoliwe
z przyczyn technologicznych lub nieuzasadnione z przyczyn ekonomicznych bd
ekologicznych [66]. W zaoeniu, zgodnie z Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady
Europejskiej 06/12/WE z 5 kwietnia 2006 w sprawie odpadw skadowisko przewidziane jest
dla deponowania przetworzonych form odpadw, tzn. takich w ktrych warto opaowa nie
przekracza 6 MJ/kg, a zawarto frakcji organicznych nie przekracza 5% [36]. A zatem, na
skadowisko trafia mog ju tylko te odpady, ktre pozostay po procesie segregowania,
recyklingu i wydzielaniu surowcw wtrnych. Deponowane s take materiay zuyte
i niebezpieczne, ktre nie s ju przydatne i nie ma moliwoci wykorzystania ich w procesie
kompostowania bd za pomoc termicznych metod unieszkodliwiania. Naley podkreli, e
skadowanie odpadw jest stosunkowo prostym sposobem unieszkodliwiania odpadw.
Wystpuje zawsze bez wzgldu na przyjt technologi unieszkodliwiania odpadw. Stanowi
ono albo metod uzupeniajc, albo kocowy etap procesu unieszkodliwiania [111].
Na skadowiskach odpadw s gromadzone materiay i substancje nieprzydatne,
zuyte lub nawet niebezpieczne, w sposb zapewniajcy bezpieczestwo ludzi i ochron
rodowiska. Warunki takie tworzy odpowiednia konstrukcja skadowiska odpadw.
W zwizku z duym zagroeniem jakie powoduj skadowiska odpadw (emisja
21
niezorganizowana gazw (biogaz), bakterie, odory itp.) naley je monitorowa. Z uwagi na
du zawarto materii organicznej odpady ulegajce biodegradacji wymagaj przed
skadowaniem odpowiedniej przerbki. Skadowanie odpadw niesegregowanych tworzy
z wysypiska niekontrolowany reaktor biochemiczny, ktry stanowi olbrzymie zagroenie dla
otoczenia jeszcze przez kilkadziesit lat po jego zamkniciu (wyczeniu z eksploatacji)
[50,75,163].
Metody biologiczne
W KPGO wskazuje si metody biologiczne: kompostowanie, fermentacj
i biologiczno-mechaniczne przetwarzanie jako gwne technologie odzysku
i unieszkodliwiania (poza skadowaniem) odpadw ulegajcych biodegradacji.
W prawodawstwie polskim nie ma adnych formalnych definicji kompostowania,
beztlenowego rozkadu (fermentacji metanowej) oraz technologii mechaniczno-biologicznego
unieszkodliwiania. Wzmianka znajduje si tylko przy definicji recyklingu organicznego
zamieszczonej w ustawie o odpadach. Dopiero w 2-gim projekcie Dyrektywy o bioodpadach
zostao zdefiniowanych wikszo terminw i poj zwizanych z biologicznym
przetwarzaniem odpadw. O przydatnoci surowca do przerbki biologicznej technik
tlenow lub beztlenow decyduje jego struktura. Do kompostowania bardziej przydatne s
odpady o mocnej strukturze, tworzce rodowisko dobrze natlenione, o wystarczajcej iloci
wody tj. od 50 do 60 % (np. odpady ogrodowe, odpady zielone). Odpady organiczne
pozbawione struktury, o duej wilgotnoci (np.: selektywnie zbierane bioodpady, trawy,
osady ciekowe, itp.) bardziej nadaj si do procesu fermentacji, gdy podczas ich
kompostowania istnieje niebezpieczestwo kolmatacji i tworzenia si stref beztlenowych
w pryzmach [36,67,68].
Kompostowanie
Definicja wg Urzdu Patentowego brzmi, i kompostowanie jest to przerabianie
substancji organicznych pochodzenia biologicznego zawartych w odpadach na kompost tzn.
nawz zbliony swoimi waciwociami do prchnicy glebowej zawierajcej do 50%
substancji organicznej, skadniki pokarmowe dla rolin oraz mikroorganizmy, ktre
wzbogacaj mikroflor i mikrofaun w glebie. Proces kompostowania moe by
zdefiniowany jako kontrolowany, biologiczny rozkad substancji organicznych (pochodzenia
komunalnego, przemysowego i rolniczego (biomasy) [68]), w warunkach tlenowych, ktre
prowadz do wzrostu temperatury materiau do zakresu termofilowego w wyniku biologicznie
22
produkowanego ciepa. Efektem procesu jest wytwarzanie z odpadw organicznych finalnego
produktu kompostu (materiau glebopochodnego o walorach odywczych), ktry jest pewny
sanitarnie, zasobny w substancje biogenne oraz wystarczajco stabilny dla magazynowania
i wprowadzania do gruntu, bez szkodliwego wpywu na rodowisko [67]. W wyniku tego
procesu ok. 40% oglnej masy odpadw stanowi odpad technologiczny tzw. balast
pokompostowy (pozostao po procesie) wymagajcy zagospodarowania lub
unieszkodliwiania przez skadowanie. Oglny przebieg tego procesu opisuje rwnanie:
odpady organiczne+mikroorganizmy+O2(powietrze)CO2+H2O+NH3+kompost+ciepo
Zgodnie z powysz reakcj w procesie kompostowania mikroorganizmy rozkadaj
substancj organiczn i produkuj dwutlenek wgla, wod, amoniak, ciepo oraz kompost.
W ostatnich latach zmienia si rola oraz system kompostowania w systemie gospodarki
odpadami. Odstpuje si od tradycyjnych technologii kompostowania caej masy odpadw
komunalnych, ktre daj kompost nieodpowiedniej jakoci i prowadz do wytwarzania
nowych odpadw, wymagajcych dalszego unieszkodliwiania. Selektywne gromadzenie
odpadw organicznych pozwala produkowa kompost wysokiej jakoci. Dziki selektywnej
zbirce bioodpadw wydua si czas eksploatacji wysypiska nawet do 50% i zmniejszaj si
koszty skadowania z tytuu redukcji iloci odpadw kierowanych na skadowisko.
Kompostowanie odpadw jest istotne z punktu widzenia ochrony rodowiska, gdy
umoliwia [63,159]:
o eliminacj zagroe sanitarnych zwizanych z usuwaniem odpadw,
o eliminacj uciliwych odorw wydzielanych przez atwo rozkadajce si substancje
organiczne,
o znaczne zmniejszanie masy i objtoci odpadw (z 1 Mg odpadw komunalnych
uzyskuje si od 0,35 do 0,50 Mg kompostu, odpady bezuyteczne stanowi ok.
0,35 Mg, ferromagnetyki 0,05 Mg i straty procesu to ok. 0,05 Mg),
o ograniczenie powierzchni skadowisk,
o popraw struktury gleb, wzrost plonw, zmniejszenie zuycia nawozw mineralnych
i organicznych oraz zmniejszenie ich wymywania z gleb.
Dodatkow zalet kompostowania jest przywrcenie rodowisku skadnikw glebotwrczych.
Fermentacja metanowa
Fermentacja metanowa stanowi zesp beztlenowych procesw biochemicznych,
w ktrych wielkoczsteczkowe substancje organiczne (przede wszystkim wglowodany,
23
biaka i tuszcze oraz ich pochodne) ulegaj rozkadowi do alkoholi lub niszych kwasw
organicznych oraz do metanu CH4, dwutlenku wgla CO2 i wody H2O [74]. Produktem
fermentacji metanowej odpadw komunalnych, wartociowym z uwagi na zawarto metanu,
jest biogaz oraz nawz organiczny. Ilo i skad biogazu zaley od skadu odpadw (wzrost
zawartoci frakcji organicznej w fermentowanych odpadach prowadzi do wzrostu
jednostkowej objtoci uzyskiwanego gazu), czasu prowadzenia procesu (im duszy czas
rozkadu, tym wiksza zawarto metanu) oraz od obranej technologii [45]. Odpad
technologiczny tzw. przeformowany materia, ktry skada si z biomasy bakteryjnej stanowi
do 5% oglnej masy odpadw [67]. Oglny przebieg procesu opisuje rwnanie:
odpady organiczne + mikroorganizmy + H2O CH4 + CO2 + (H2S+NH3)
+ przefermentowany materia + energia (termiczna i biochemiczna)
Zgodnie z powysz reakcj w procesie fermentacji otrzymujemy biogaz oraz biomas
bakteryjn. Generalnie biogaz zawiera 5065% metanu CH4, 5035% dwutlenku wgla CO2
i niewielkie iloci (ok. 11,5%) amoniaku NH3, siarkowodoru H2S i innych gazw. Po stronie
staych produktw przemian powstaj osady. W osadach znajduj si biomasa bakteryjna
i zwizki trudno bd nierozkadalne przez bakterie anaerobowe. Z uwagi na wysok warto
opaow biogaz moe by spalany w wyniku czego mona uzyska energi elektryczn
i ciepln. Najczciej potrzeby wasne zakadu fermentacji metanowej ksztatuj si na
poziomie 3050% wytworzonej energii elektrycznej i 2040% termicznej. Nadmiar
wyprodukowanej energii moe by sprzedawany do sieci krajowych [127].
Mechaniczo-biologiczne przetwarzanie odpadw
Mechaniczno-biologiczne przetwarzanie (MBP) odpadw, jak sama nazwa wskazuje,
to zesp mechanicznych i biologicznych technik przetwarzania odpadw. Zgodnie
z Dyrektyw o bioodpadach unieszkodliwianiu podlegaj pozostae odpady komunalne,
niesortowalne odpady komunalne lub kade inne bioodpady nieodpowiednie dla
kompostowania oraz fermentacji w celu stabilizacji i zmniejszenia tych odpadw. Procesy
mechaniczne wykorzystywane w tej technologii to m.in.: rozdrabnianie, przesiewanie,
separacja. W czci biologicznej MBP wykorzystywane s tlenowe i beztlenowe technologie
unieszkodliwiania odpadw. Pozytywne efekty zastosowania tej technologii to lepszy bilans
energetyczny zwizany z produkcj biogazu, nisza emisja zanieczyszcze, wysoka stabilno
procesu oraz wyszy stopie rozkadu substancji organicznych. MBP odpadw jest zoonym
24
procesem przygotowujcym odpady do skadowania i/lub odzysku. Celem przerbki jest [3,
59, 107]:
o zmniejszenie masy i objtoci odpadw oraz ich uwodnienia,
o stabilizacja substancji organicznej z wytworzeniem prostych produktw gazowych (CO2,
CH4, H2O) i wydzieleniem ciepa, pozostae formy organiczne s wzgldnie stabilne
(ulegaj powolnej biodegradacji, jednak nieuciliwej dla rodowiska),
o higienizacja (czciowa lub zaawansowana) polegajca na zmniejszeniu liczebnoci
mikroorganizmw chorobotwrczych,
o wytworzenie produktw do wykorzystania, takich jak: biogaz, kompost, materia
przefermentowany.
4.4 Termiczne metody unieszkodliwiania i utylizacji odpadw W krajach UE kierowanie odpadw na skadowiska jest ostatecznoci. Celowe staje
si poszukiwanie racjonalnych sposobw gospodarowania odpadami zarwno komunalnymi
jak i przemysowymi, ktre mog by wykorzystane. Jednym z takich sposobw jest
termiczna utylizacja odpadw w odpowiednich zakadach lub ich wspspalanie z paliwami
konwencjonalnymi [17,59,71,148].
Termiczne przeksztacanie odpadw (zgodnie z ustaw o odpadach) jest to proces
utleniania odpadw (naley doda w warunkach termicznych), w tym spalania,
zgazowywania lub rozkadu odpadw, w tym rozkadu pirolitycznego, prowadzony
w przeznaczonych do tego instalacjach lub urzdzeniach (m.in. spalarniach odpadw) na
zasadach okrelonych w przepisach szczegowych.
Procesy przeksztacania termicznego odpadw podzielono na [122,149,164]:
o spalanie odpadw nie zawierajcych zwizkw chlorowcoorganicznych ani zwizkw
cynku, miedzi, niklu, kobaltu i rtci w iloci przekraczajcej 0,5% wagowych suchej masy
odpadw cznie w przeliczeniu na mas pierwiastkw,
o spalanie odpadw niebezpiecznych zawierajcych zwizki chlorowcoorganiczne, w tym
PCB, przy zawartoci metali cikich jak cynku, miedzi, niklu, kobaltu i rtci w iloci
przekraczajcej 0,5% wagowych suchej masy odpadw cznie w przeliczeniu na mas
pierwiastkw,
o spalanie odpadw niebezpiecznych w obrotowych piecach do produkcji cementu lub
wapnia,
o piroliza odpadw niebezpiecznych.
25
Unieszkodliwianie odpadw poprzez poddanie ich przeksztaceniu termicznemu musi
spenia okrelone warunki. Istotny jest czas przetrzymania spalin w komorze spalania, ktry
powinien wynosi co najmniej 2 sekundy, a temperatura w komorze spalania nie moe by
nisza od 850oC podczas spalania odpadw o zawartoci chloru w zwizkach organicznych
nie przekraczajcych 1% suchej masy odpadw. W przypadku zawartoci chloru w zwizkach
organicznych powyej 1% suchej masy temperatura ta nie powinna by nisza od 1100oC.
Natomiast, minimaln zawarto tlenu w gazach spalinowych ustalono na poziomie 6%.
W przypadku przeksztacania termicznego wykorzystujcego proces pirolizy gazy z rozkadu
powinny by wykorzystane w postaci paliwa pomocniczego w paleniskach kotowni
grzewczych, przy czym zawarto w parach i gazach odlotowych organicznych zwizkw
chlorowcw nie moe przekracza wartoci 0,5 mg/m3. Dopuszczono spalanie w pochodniach
jedynie wtedy gdy nie istnieje moliwo innego wykorzystania tych gazw [164,201].
Spalanie
Spalanie odpadw jest kontrolowanym egzotermicznie procesem rozkadu na drodze
termicznego utleniania w wysokiej temperaturze (min. 8500C i przy okrelonym nadmiarze
tlenu 1) majcym na celu zniszczenie frakcji organicznej odpadw i zmniejszenie ich
objtoci z wydzieleniem ciepa i wiata. Proces ten jest najpopularniejszym sposobem
utylizacji wszystkich odpadw komunalnych, w tym take toksycznych i niebezpiecznych.
Z uwagi na stopie zoonoci przemian zachodzcych w trakcie nie jest procesem prostym
w organizacji. Reakcje spalania hetero- jak i homogeniczne wzajemnie si przenikaj, a skad
produktw zaley od bardzo wielu czynnikw w tym od organizacji samego procesu
[4,186,193].
Przebieg zjawisk wystpujcych podczas spalania to: suszenie do 1000C, spalanie
(strefa przemian - 2506000C,- zapon okoo 5000C,- strefa wypalenia - 5008500C), -
dopalenie - 12000C. W wyniku procesu termicznego jakim jest spalanie powstaj spaliny,
czyli gazowy produkt niepalny o rnym stopniu zanieczyszczenia (iloci i rodzaj
zanieczyszcze zaley przede wszystkim od przebiegu spalania i rodzaju paliwa). Dla
niepoprawnie realizowanego procesu w gazach spalinowych potrafi dominowa zwizki
organiczne, gwnie wglowodory aromatyczne, wglowodory chlorowane (m.in. dioksyny
i furany) oraz w grupie zanieczyszcze nieorganicznych: dwutlenek siarki SO2, chlorowodr
HCl, fluorowodr HF i metale cikie (rt Hg, ow Pb, kadm Cd, antymon Sb). Ponadto, po
procesie spalania powstaj: dwutlenek wgla CO2 i tlenki azotu NOx [16,84,129,143,153].
26
Z energetycznego punktu widzenia, tylko materiay palne i z wysok zawartoci
materiaw organicznych powinny by rozwaane jako ewentualny materia do spalania.
Jednake z technicznego punktu widzenia odpady, nawet z minimaln zawartoci frakcji
organicznej, mog by poddane temu procesowi. Procesy spalania mona podzieli na
spalanie cakowite i zupene, niecakowite i niezupene oraz ich kombinacje. Spalanie jest
prorodowiskowe wtedy, gdy zostan spenione odpowiednie normy i przepisy prawne
(standardy emisyjne) zapewniajce minimalizacj zanieczyszcze poprocesowych. O jakoci
produktw spalania w duej mierze decyduje system pozyskania odpadw i zawarto w nich
caego szeregu zwizkw, np.: chloru, metali cikich, itd. Nastpnie organizacja samego
procesu spalania, w tym wielko i ksztat komory spalania, typ rusztu, moliwo
utrzymania staej temperatury w komorze, nadmiar tlenu itp. A na kocu oczyszczanie gazw
odlotowych. Istotn rol odgrywa wielko instalacji i jej zdolno przerobowa. Ogromna
zmienno wasnoci, zwaszcza takich odpadw jak szpitalne, komunalne czy osady
ciekowe utrudnia wypracowanie jednolitych kryteriw ich oceny procesowej
i jednoznacznych wytycznych do projektowania procesu ich spalania [101,128,135,138].
Zaczynajc od prostego spalania w paleniskach rusztowych lub bezrusztowych,
poprzez bardziej zoone technologie spalania fluidalnego (FBCT) na staym i ruchomym
zou, mona stwierdzi, e s najbardziej radykalnymi metodami unieszkodliwiania
odpadw tak w zakresie znaczcej redukcji objtoci (o 80-90% objtociowo, 40-60%
wagowo), jak i zapewnienia penej higienizacji pozostaoci po spaleniu. Wymagaj jednake
budowy kosztownych instalacji do samego spalania, a take stosowania wysokosprawnych
metod oczyszczania gazw spalinowych. Koszty inwestycyjne spalarni s najwysze ze
wszystkich metod unieszkodliwiania odpadw komunalnych. Termiczna przerbka odpadw
komunalnych realizowana jest od lat metod spalania w piecach rusztowych. Ostatnio
prowadzone s prby wykorzystania do tego celu piecw ze zoem fluidyzacyjnym.
Okresowo wzrasta zainteresowanie dwustopniowym spalaniem ze wstpn obrbk termiczn
w warunkach beztlenowych lub z ograniczonym dostpem tlenu i spalaniem uzyskanych
produktw odgazowania lub zgazowanie w drugim etapie, czyli tzw. piroliz. W technice
spalania odpadw stosowanych jest wiele rozwiza konstrukcyjnych piecw (m.in.
komorowe bezrusztowe lub z rusztem nieruchomym, komorowe z rusztem ruchomym
posuwisto-zwrotnym lub walcowym, bbnowe-obrotowe, pkowe oraz piece ze zoem
fluidalnym). Najpowszechniej stosowane do tej pory byy [192,198]:
o piece komorowe z rusztem ruchomym,
o piece obrotowe (dla wszystkich rodzajw odpadw),
27
o piece komorowe z rusztem lub bez (dla niewielkich iloci odpadw przemysowych,
w tym niebezpiecznych).
Dla unieszkodliwiania osadw ciekowych oraz mas pynnych i ppynnych stosowano
z powodzeniem piece pkowe i obrotowe. W nowy generacjach spalarni odpadw
najpowszechniej stosowane s piece z ruchomymi rusztami, piece fluidalne i bbnowe piece
obrotowe.
Spalanie na ruszcie
Spalanie na ruszcie, zwaszcza w tradycyjnym piecu rusztowym wsppracujcym
z ukadem kotowym, powszechnie jest stosowane tylko do termicznej utylizacji staych
odpadw komunalnych, a take odpadw z produkcji rolno-spoywczej oraz niektrych
szlamw i nietoksycznych odpadw przemysowych (drewna, papieru, skry, tkanin, gumy,
tworzyw sztucznych itp.). Do spalania odpadw niebezpiecznych czciej stosowane s piece
jedno- lub wielokomorowe o specjalnej konstrukcji czasami rwnie wyposaone
w odpowiedni ruszt. Proces spalania jest skuteczniej realizowany w piecach wyposaonych
w osobn komor dopalania spalin lub przynajmniej dodatkowym palnikiem dopalajcym.
Czasami komora dopalania wystpuje bezporednio po komorze spalania, a dopiero po niej
znajduje si komora chodzenia z mieszaniem spalin.
Piece szybowe
Do bezporedniego spalania odpadw niebezpiecznych czasami wykorzystuje si
jeszcze piece szybowe, cho znacznie czciej realizowany jest w nich proces zgazowania
odpadw. W piecach szybowych utylizowane s odpady stae mogce si spala we wasnej
porowatej warstwie (spoczywajcej na ruszcie na dnie pieca), w tym mieszaniny paliwa
i odpadw. Ruch materiau wsadowego i gazw odlotowych odbywa si w kierunku
pionowym w przeciwprdzie, przy czym spalany materia stopniowo osuwa si w d pod
dziaaniem siy cikoci, a gorce spaliny wdruj do gry powodujc ogrzanie
chodniejszych partii wsadu i odparowanie wody. Powietrze potrzebne do spalania podawane
jest u dou pieca, gdzie ogrzewa si w kontakcie w wypalonym materiaem, ktry jest w ten
sposb chodzony przed usuniciem z pieca. W razie potrzeby stosuje si paliwo
wspomagajce proces spalania [32, 194].
28
Piece obrotowe
Piece obrotowe (w tym do wypalania klinkieru cementowego, wapna, dolomitu czy
gipsu), z powodzeniem nadaj si do spalania odpadw o rnorodnej konsystencji. Przy
zwikszonym zuyciu paliwa dodatkowego istnieje moliwo spalania w nich odpadw
o duej zawartoci wody i trudno palcych si. Ze wzgldu na swoj konstrukcj piece
obrotowe wymagaj waciwej, fachowej obsugi i s najczciej stosowane w duych
zakadach przemysowych (do spalania uciliwych odpadw poprodukcyjnych
i poeksploatacyjnych) oraz komercyjnych spalarniach odpadw niebezpiecznych. Moliwe
jest rwnie stosownie ich we wsppracy z innymi urzdzeniami do termicznego
unieszkodliwiania odpadw [124].
Typowy piec obrotowy ma posta nieznacznie nachylonego w stosunku do poziomu,
stalowego bbna obrotowego. Peni on jednoczenie rol paleniska rusztowego (z rusztem
obrotowym) i komory spalania. Na pycie czoowej mocowane s palniki (najczciej
gazowe) oraz ukad doprowadzania powietrza (gorcego lub zimnego). W czci przedniej
pieca znajduje si nieruchoma ciana czoowa, poprzez ktr dozuje si odpady
wykorzystujc do tego celu odpowiednie systemy zaadunkowe. Odpady po zaadunku do
pieca zostaj zwykle bardzo szybko podgrzane i wysuszone, po czym rozpoczyna si ich
odgazowanie. Spaliny przepywaj wspprdowo ze spalanymi odpadami, a staa pozostao
po spaleniu opada na kocu pieca do komory odulania. Piec obrotowy wsppracuje zwykle
z komor dopalania spalin przeduajc czas przebywania gazw odlotowych w strefie
wysokich temperatur do ponad 2 sekund. Bardzo powoli spala si natomiast w czasie
transportu przez piec staa pozostao skadajca si gwnie z wgla i popiou (substancja
uwglona). Oprcz reakcji bezporedniego utleniania w znacznej mierze zachodz take
endotermiczne reakcje wgla z dwutlenkiem wgla lub par wodn, a dopiero produkty tych
reakcji (CO i H2) s spalane w palenisku lub komorze dopalania spalin [32,139, 147,196].
Spalanie w piecach pkowych
Piece pkowe nadaj si do suszenia i spalania odpadw silnie zawilgoconych.
Najczciej wykorzystuje si je do termicznego unieszkodliwiania osadw ciekowych,
nadmiernego osadu czynnego z biologicznych oczyszczalni ciekw, skratek i osadw
flotacyjnych w tym take osadw zaolejonych lub smolistych pochodzcych z oczyszczalni
ciekw przemysowych. Zdarza si, e w nich rwnie unieszkodliwiane s niektre osady,
szlamy i smoy poprodukcyjne, zuyte oleje oraz inne palne odpady przemysowe, w tym
niebezpieczne. Konstrukcj pieca pkowego stanowi cylindryczny paszcz stalowy
29
ustawiony w pozycji pionowej, wyoony od wewntrz warstw materiau ogniotrwaego.
Piec posiada specjalnie uformowane pki, dzielce go na osobne, ale poczone ze sob
komory (uoone pitrowo) oraz urzdzenie do przegarniania spalonego materiau napdzane
od dou silnikiem elektrycznym. Do przegarniania odpadw su stalowe ramiona z zbami
(zgrzeba). Dodatkowe przemieszanie uzyskuje si poprzez odpowiednie umiejscowienie
i wzajemne skrcanie zbw przegarniajcych. Odpady s podawane na najwysz pk,
gdzie rozpoczyna si ich powolne suszenie w temperaturze okoo 100oC. W strefie rodkowej,
gdzie temperatura utrzymywana jest na poziomie 750-1000oC, nastpuje zapon wstpnie
wysuszonych odpadw i ich spalanie z jednoczesn dezodoryzacj. Popi z dolnej pki
pieca moe by odbierany na mokro lub sucho. W wypadku spalania osadw ciekowych
i zastosowania suchego systemu odbioru popiou ma on najczciej posta cakowicie
odwodnionego, drobnego granulatu. Staa pozostao zawiera mniej ni 1% czci palnych,
zoonych gwnie z czystych, niedopalonych czstek wgla. Oczyszczanie gazw
odlotowych w wypadku wikszoci pracujcych piecw pkowych opiera si na absorpcji
zanieczyszcze w wodzie lub roztworze alkalicznym. [85,143,193].
Spalanie strumieniowe
Spalanie strumieniowe stosuje si do unieszkodliwiania wikszoci palnych odpadw
ciekych i niektrych niskotopliwych odpadw staych (upynnionych), ktre mog by
pompowane, wtryskiwane przez palnik i rozpylane w komorze pieca. Czsto s
wykorzystywane do spalania odpadowych rozpuszczalnikw organicznych i pozostaoci
podestylacyjnych, zuytych olejw, polichlorowanych bifenyli (PCB), pestycydw oraz wielu
ciekych i ppynnych odpadw przemysu chemicznego (o wysokim stopniu uwodnienia)
zawierajcych np. fenole, cyjanki, nitrozwizki, siarczki lub siarczyny, jak rwnie innych
palnych ciekw i par z tego przemysu. Komora spalania ma zwykle posta cylindra
z wyoeniem ogniotrwaym. Jest ona wyposaona w co najmniej jeden palnik, umoliwiajcy
rozpylenie wtryskiwanych odpadw na bardzo mae krople i spalenie ich w zawieszeniu.
W razie potrzeby proces spalania wspomagany jest dodatkowym paliwem. Odpady
zawierajce wiksze iloci popiou mog by spalane tylko w komorach z wtryskiem
zwrconym w d. Dobre rozpylanie odpadw ciekych, a tym samym dobre ich wymieszanie
ze rdem tlenu, jak rwnie utrzymywanie wysokich temperatur rzdu 1400-1650oC
w pomieniu i 800-1200oC w najchodniejszych czciach komory to czynniki stanowice
podstaw uzyskania wysokiej skutecznoci spalania strumieniowego [106].
30
Spalanie fluidalne
Technologia spalania fluidalnego umoliwia wykorzystanie rnego typu paliw
o niskiej jakoci i kalorycznoci niejednokrotnie zanieczyszczonych, ktre
konwencjonalnymi metodami nie udaje si nawet spali. Spalanie fluidalne odpadw pozwala
na efektywn i skuteczn destrukcj nisko i wysokokalorycznych odpadw o rnej
konsystencji, rozdrobnionych materiaw staych, szlamw i odpadw ciekych. Jest
stosowane midzy innymi do spalania osadw ciekowych oraz odpadw komunalnych,
rolniczych, drzewnych i przemysowych. Walory procesu fluidalnego spalania paliw staych
i rnych grup odpadw zostay potwierdzone wieloma zastosowaniami w skali
przemysowej i od strony ekonomicznej. Najwiksz zalet procesu fluidalnego spalania jest
intensywno procesw wymiany ciepa i masy midzy unoszcymi si drobinami zoa
a spalanym paliwem oraz dodatkowo stosunkowo dua moliwo kontrolowania emisji
zanieczyszcze z paleniska przy nieskomplikowanych ukadach oczyszczajcych gazy
spalinowe. W przewaajcej iloci przypadkw zoe fluidalne stanowi materia obojtny
wobec substratw jak i produktw procesu spalania. Najczciej stosowanym materiaem jest
piasek lub piasek kwarcowy o rnym stopniu uziarnienia. Fluidyzacja polega na
wprowadzeniu materiau sypkiego w taki stan, w ktrym kade z ziaren uzyskuje moliwo
swobodnego ruchu w obrbie warstwy fluidalnej, upodabniajc waciwoci tej warstwy do
cieczy. Rozlunienie ziaren i ich swobodny ruch mona wywoa przetaczajc przez minera
sypki ciecz lub gaz (np. powietrze) bd poddajc go wibracji. W wypadku spalania
w warstwie fluidalnej odpadw staych skuteczno realizacji procesu fluidyzacji oraz
spalania wie si z odpowiednim ich rozdrobnieniem do frakcji poniej 50mm. Piec
fluidalny do spalania odpadw stanowi komora o wyoeniu ogniotrwaym z inertnym zoem
z piasku kwarcowego lub innego materiau fluidyzacyjnego (z tlenku glinu, wglanu wapnia
lub ceramicznego), mona zastosowa materia aktywny np. naturalne zeolity jak to
uczyniono w niniejszej rozprawie. Niezbdnym elementem pieca jest ruszt podtrzymujcy
zoe oraz system doprowadzania i rozprowadzania czynnika fluidyzujcego (najczciej
powietrza) w strefie podrusztowej [4,60,70,71, 93,195].
Proces spalania przebiega najczciej w temperaturach rzdu 800-900oC i z 25-150%
nadmiarem powietrza (=1,25-2,5 a nawet i wikszym). Spalanie odpadw
niskokalorycznych wymaga czasami doprowadzenia dodatkowego paliwa. Moliwo
wprowadzenia do zoa sorbentw (np. wapna lub kamienia wapiennego) wicych kwane
zanieczyszczenia gazowe, jak rwnie utrzymywanie temperatury zoa na cile okrelonym
31
i niezbyt wysokim poziomie pozwala na prowadzenie kontrolowanych reakcji chemicznych
i efektywne stosowanie pierwotnych metod ograniczania iloci powstajcych zanieczyszcze
lub ich usuwania ju w obrbie paleniska [113]. Jest to cecha charakterystyczna i ogromna
zaleta wszystkich kotw fluidalnych stosowanych w energetyce. W ten sposb najczciej
nie musi by ju prowadzone dopalania spalin, a ich oczyszczanie moe by realizowane
taszym kosztem. W niektrych rozwizaniach komora fluidalna wsppracuje z komor
spalania, z ktrej spaliny s wwczas stosowane w charakterze czynnika fluidyzujcego,
a dodatkowe powietrze jest dodawane powyej warstwy. Moliwa jest take wsppraca
z komor cyklonow [95,125,160,168,185].
Spalanie cyklonowe
Spalanie cyklonowe mona stosowa gwnie do unieszkodliwiania odpadw staych
(ziarnistych lub odpowiednio rozdrobnionych) i szlamowych, rzadziej ciekych czy w postaci
par. Komora cyklonowa uksztatowana jest w postaci stalowego cylindra zakoczonego
w dolnej czci stokiem. Powietrze spalania wprowadza si poprzez szereg dysz, co
gwarantuje wymuszony, rotacyjny przepyw gazw. Wraz z faz gazow w rotacji pozostaj
take spalane odpady. Czas spalania czstek staych jest zaleny od ich wielkoci i reguluje
si samoczynnie. Grubsze frakcje popiou opadaj na dno komory, do czego wydatnie
przyczynia si wirowy charakter ich przepywu i dziaanie siy odrodkowej. Popi lotny
jest unoszony z komory spalania i zostaje odpylony poza ni w wysokosprawnym odpylaczu.
Cyklonowa komora moe by wykorzystywana w charakterze komory dopalania
wsppracujcej z piecem obrotowym lub rusztowym [114].
Dopalanie gazw spalinowych
Podobnie jak piece obrotowe, inne typy piecw do spalania odpadw niebezpiecznych
wyposaone s czsto w dodatkow komor dopalania spalin. Jej stosowanie jest niezbdne
wwczas, gdy sama komora spalania nie spenia wymogw wynikajcych z przepisw
prawnych dotyczcych sposobu prowadzenia tego procesu. Jak ju wczeniej wspomniano,
zarwno w krajach Unii Europejskiej, jaki w naszym kraju przepisy te mwi, e spaliny
pochodzce ze spalania odpadw niebezpiecznych musz przebywa w odpowiednio
wysokich temperaturach (850-1100oC w zalenoci od zawartoci chloru w zwizkach
organicznych) przez co najmniej 2 sekundy i posiada zawarto tlenu powyej 6%. Warunki
te powinny ograniczy do minimum ilo odprowadzanych z instalacji spalania toksycznych
32
zwizkw organicznych, jak rwnie innych zwizkw niezupenego spalania (CO, H2S itp.).
Zatem, komora dopalania jest w zasadzie komor spalania gazw, ale o odpowiednich
parametrach pracy. Sam proces dopalania gazw z zaoenia jest procesem homogenicznym,
przez to w peni moliwe jest uzyskane zaoonego efektu kocowego [16,117,135, 193].
Odgazowanie odpadw
Niedogodnoci zwizane z unieszkodliwianiem odpadw metod bezporedniego
spalania spowodoway w ubiegych latach zainteresowanie metodami odgazowania
i zgazowania [88]
Proces odgazowania to jedna z metod termicznego unieszkodliwiania odpadw
stosowana coraz czciej nie tylko do odpadw komunalnych, ale rwnie przemysowych,
a szczeglnie do odpadw medycznych i weterynaryjnych. Odgazowanie jest to zesp
procesw fizykochemicznych, ktre naley zainicjowa i przeprowadzi aby uzyska efekt
w postaci termicznego rozkadu paliwa staego, ciekego lub gazowego oraz rnego rodzaju
wglowodorw tworzcych substancje organiczne w odpadach. Proces odgazowania
przeprowadza si w warunkach beztlenowych. W konsekwencji prowadzi to do termicznego
rozpadu czsteczek chemicznych o wikszym ciarze czsteczkowym na czsteczki
o mniejszym ciarze czsteczkowym a nastpnie rozszczepienie duych czsteczek
wglowodorw na mniejsze. Ze wzgldu na panujce cinienie w reaktorze rozrnia si
proces bezcinieniowy lub cinieniowy, a w przypadku uycia gazw roboczych proces
fluidalny. Od strony technologicznej, znane i stosowane s dwie zasadnicze techniki
prowadzenia procesu odgazowania: w zou zwartym lub w zou zdyspergowanym.
W kadej z tych technik proces mona prowadzi w reaktorze o ruchu cigym lub
w reaktorze o ruchu okresowym. Proces odgazowania w przedziale temperaturowym do
400oC jest procesem niskotemperaturowym i nazywa si wytlewaniem, a zachodzcy powyej
600oC nazywa si piroliz, powyej 1400oC profuzja [145,157,155,161].
Celem procesu odgazowania jest przetworzenie odpadw w produkty uyteczne, takie
jak gaz wytlewny, wglowodory cieke oraz pozostao o cechach paliwa staego,
bezdymnego i odsiarczonego. Celem minimum, osiganym na wikszoci maogabarytowych
instalacji wykorzystujcych te procesy jest jedynie uzyskanie gazu wytlewnego, ktry atwiej
podda procesowi cakowitego i zupenego spalania ni odpady zastosowane jako wsad
procesowy [84,103,124].
Produktem lotnym odgazowania odpadw jest przede wszystkim gaz wytlewny,
surowy. Gazy wytlewne i pirolityczne maj charakter gazw olefinowych i opaowych
33
skadaj si gwnie z CO, CO2, H2, CH4 i wyszych wglowodorw alifatycznych.
W reaktorach z inicjujcym proces przeponowym podgrzewaniem zoa uzysk gazu surowego
wytlewnego moe wynosi od 0,4 do 1,0 m3/kg suchej masy odpadw. Warto opaowa gazu
wynosi od 8,0 do15,0 MJ/m3. W reaktorach o bezporednim podgrzewaniu zoa spalinami
uzysk gazu surowego wynosi od 1,0 do 3,5 m3/kg. W tym rozwizaniu gaz surowy jest
mieszanin gazu wytlewnego i gazw grzewczych. Jego warto opaowa jest odpowiednio
nisza i mieci si w przedziale od 4,5 do 9,0 MJ/m3. Produkty cieke w postaci rnego
rodzaju smoy, wody poprocesowej powstajcej z wilgoci wsadu, mog by rwnie
w postaci benzynopodobnej bd benzolu i po procesie nadaj si do dalszego przetwarzania
lub mog by stosowane jako paliwo. Staa pozostao to mieszanina substancji organicznej
i mineralnej zawiera pkoks, koks i balast mineralny. Ta faza zawiera niewiele czci lotnych
lub praktycznie jest ich zupenie pozbawiona. Konsekwencj stosunkowo niskiej temperatury
i braku tlenu w procesie jest to, e stosunek substancji palnej do mineralnej w tym produkcie
wysoki, zasadniczo powyej 2, cho s moliwe wartoci nisze dla procesw pirolizy
[32,98,114].
Skad i waciwoci produktw odgazowania wystpujce w rozmaitej iloci i jakoci
zale od charakteru przerabianego materiau odpadowego i technologii jego przetwarzania
(wytlewanie, piroliza) a zwaszcza od kocowej temperatury procesu. Poniewa wszystkie
powyej omwione produkty procesowe mog by skutecznie wykorzystywane jako paliwo,
to w warunkach technologicznych dominuje tendencja, aby produkty te spala bezporednio
na miejscu bez wstpnego rozdzielania i oczyszczania. Uzyskan energi na sposb ciepa
wykorzystuje si do podtrzymania procesu wytlewania lub pirolizy, a jej nadmiar oferowany
jest dopiero dla odbiorcw zewntrznych. Proces odgazowania ogranicza u podstaw emisj
zanieczyszcze podprocesowych. Z uwagi na do liczne opracowania dot. odgazowania
istnieje wiele systemw procesu wytlewania i pirolizy [2,193]. Gwnym czynnikiem
rozrniajcym te systemy s:
o konstrukcja reaktorw otwarte, zamknite,
o usytuowanie reaktorw pionowe, poziome,
o systemy dziaania proces cigy, okresowy,
o ogrzewanie reaktorw wewntrzne, zewntrzne,
o temperatura 350-1500oC,
o rozkad temperatury wewntrz reaktora,
o czas zatrzymywania w strefie o rnej temperaturze.
34
Naley zauway, e istotnym parametrem procesu pirolizy jest jako i posta wsadu,
jego skad frakcyjny, przewodnictwo cieplne i waciwoci paliwowe. Wikszo
opracowanych technologii stosuje wstpn obrbk odpadw przed wprowadzeniem do
reaktora. Moe si ona ogranicza w najprostszym przypadku do rozdrabniania i wydzielania
metali, a w najpeniejszym przypadku do cakowitego podziau odpadw na poszczeglne
skadniki. Do komory pirolitycznej reaktora kierowana jest wwczas jedynie frakcja palna,
niekiedy po wstpnym podsuszeniu (przebieg procesu - tab. 4.6).
Tab. 4.6 Przebieg procesu odgazowania substancji organicznych [141]
temperatura 0C zachodzce zjawiska i procesy
100200 suszenie fizyczne oddzielanie wody
250 dalsze oddzielanie wody H2O i dwutlenku wgla CO2 depolimeryzacja
340 rozpad wglowodorw alifatycznych pocztek oddzielania si metanu CH4 i innych lotnych zwizkw organicznych
380 wzbogacenie gazu wytlewnego w zwizki wgla
400 rozkad kwasw organicznych oraz organicznych zwizkw azotu
500600 zmiana substancji bitumicznej w olej lub smo wytlewn
600 krakowanie oleju wytlewnego na gazowe wglowodory o krtkich acuchach powstawanie zwizkw aromatycznych
600800
dimeryzacja olefinowa powstawanie butylenu C4H8 odwodornienie do butadienu C4H6
reakcje z etylenem C2H4 powstawanie cykloheksanu i zwizkw aromatycznych o wyszej temperaturze wrzenia
Proces zgazowania
Zgazowanie jest to zesp wielokierunkowych przemian termicznych i chemicznych,
w ktrych substancje organiczne paliw staych i ciekych, a take odpadw pod wpywem
nagrzewania i reagowania chemicznego z utleniaczami s przeksztacane w paliwo gazowe
lub surowiec chemiczny. Proces ten jest prowadzony w temperaturze 40012000C
w obecnoci powietrza, tlenu lub pary wodnej. rdem ciepa dla procesu zgazowania jest
reakcja utleniania czci (2030%) pierwiastka wgla zawartego we frakcji staej za pomoc
czynnika zgazowujcego (powietrze, tlen, para wodna, dwutlenek wgla i inne mieszaniny
gazw roboczych) [141,143].
Poniewa zgazowanie odpadw prowadzi do cakowitego przeksztacenia si ich
w paliwo gazowe. W procesie zgazowania zachodz reakcje: spalania paliwa, rozkadu pary
wodnej i redukcji dwutlenku wgla. Zgazowanie paliwa moe zachodzi z czciowym
spalaniem odpadw w przestrzeni generatora i poza jego przestrzeni, w warstwie
nieruchomej lub w zawiesinie. Proces zgazowania moe by prowadzony w sposb cigy lub
35
okresowy. Zalenie od cinienia, rozrnia si zgazowanie paliwa bezcinieniowe
i cinieniowe. Reakcje z tlenem lub powietrzem podawanym do procesu w ilociach
niewystarczajcych do cakowitego spalenia s egzotermiczne i zapewniaj odpowiedni ilo
energii dla ogrzania ukadu dla zapewnienia wymaganej temperatury, podczas gdy inne
reakcje, np. z par wodn i dwutlenkiem wgla s endotermiczne. Proces do inicjacji wymaga
dostarczenia ciepa, przy czym zapotrzebowanie to jest wiksze w przypadku zgazowania
odpadw ni zgazowania wgla [193].
W wypadku zgazowania realizowanego w obecnoci powietrza w gazie syntezowym
pojawia si w wikszych ilociach azot przez co jest on mniej kaloryczny, a w wypadku
zgazowania w wysokich temperaturach znacznie spada zawarto CO2 i H2O na korzy CO
i H2. Jeeli czynnikiem zgazowujcym bdzie powietrze to otrzymuje si gaz saby o warto
opaowa okoo 5 MJ/m3, a jeeli tlen to gaz mocny do 10MJ/m3. W skad fazy lotnej wchodz
take powstajce w omawianych procesach inne gazowe zwizki nieorganiczne (H2S, HCl,
HF, HCN czy NH3) oraz wraz z ni s czciowo unoszone drobne pyy mogce zawiera
metale cikie i sadz z zaadsorbowanymi wyszymi zwizkami organicznymi (w tym
z wglowodorami aromatycznymi). Zanieczyszczenia te musz by w znacznym stopniu
usunite przed spaleniem lub innym wykorzystaniem gazu. Istnieje rwnie moliwo
bezporedniego spalenia gazu surowego (nie oczyszczonego) w danej instalacji, ale wymaga
to z reguy utrzymania wysokich temperatur w komorze spalania. [141].
Zgazowanie w przeciwiestwie do spalania zachodzi z niedomiarem tlenu lub
powietrza i przebiega bardzo wolno. Proces ten obejmuje gwnie utylizacj odpadw
medycznych, sm podestylacyjnych z przemysu koksowniczego i chemicznego, odpadw
lakierniczych itp.
Uzupenieniem wczeniej opisanych procesw termicznych s dwa procesy suce do
przetwarzania odpadw w kierunku zamykania obiegw materiaowych i pierwiastkowych.
S to odpowiednio proces destylacji i rektyfikacji.
Proces destylacji
Destylacja i jej specyficzna odmiana rektyfikacja s dyfuzyjnymi operacjami
jednostkowymi. Pomimo, e s energochonne znajduj szerokie zastosowanie w przemyle
i laboratoriach [9]. Destylacja jest procesem, ktrego celem jest rozdzielenie mieszaniny
cieczy na jej skadniki. Polega ona na odparowaniu cieczy, odebraniu i skropleniu powstaych
par. Ciecz skroplona jest bogatsza w skadnik lotniejszy nazywana jest destylatem, natomiast
pozostao nieodparowana nazywa si ciecz wyczerpan (pogonem). Podstaw rozdziau
36
stanowi rnica w lotnoci skadnikw. Efektywno rozdzielania na drodze destylacji jest
w wielu przypadkach niewystarczajca. Aby otrzyma czyste skadniki konieczne jest
wielokrotne odparowanie cieczy i skroplenie par. Wielokrotne odparowanie cieczy
i skroplenie par mona uzyska albo powtarzajc wielokrotnie destylacj lub przeprowadzajc
jedn operacj nazywan rektyfikacj.
Proces rektyfikacji
Rektyfikacja jest operacj, ktrej celem jest rozdzielenie ciekego roztworu (surwki)
na skadniki. Umoliwia uzyskiwanie praktycznie dowolnego stopnia rozdziau. Faz gazow
wytworzon przez czciowe odparowanie cieczy doprowadza si w przeciwprdzie do
intensywnego kontaktu z ciecz, ktra stanowi kondensat wytworzony ze skroplenia par.
Dwie kontaktujce si ze sob fazy maj rne temperatury i rne skady (nastpuje
jednoczesna wymiana masy i ciepa). Ciecz jest chodniejsza i zawiera skadniki lejsze,
natomiast para, ktra ma wysz temperatur jest bogatsza w skadniki cisze.
W konsekwencji tych procesw przechodzce przez kolumn opary wzbogacaj si
w skadnik najbardziej lotny, za ciecz spywajca w d kolumny wzbogacana jest
w skadnik mniej lotny. W momencie zetknicia obydwie fazy d do uzyskania stanu
rwnowagi, ktry w praktyce nigdy nie zostaje osignity ze wzgldu na krtki czas kontaktu
i niedokadno wymieszania.
Proces rektyfikacji obejmuje trzy zabiegi [9,21]:
o czciowe odparowanie cieczy w kotle rektyfikacyjnym w celu wytworzenia
pyncych ku grze par;
o waciw rektyfikacj (frakcjonowanie), ktra odbywa si zazwyczaj
w przeciwprdowej kolumnie rektyfikacyjnej, ktrej zadaniem jest zapewnienie
intensywnego kontaktu obydwu faz;
o kondensacja par uchodzcych ze szczytu kolumny i czciowe zawracanie skroplin do
kolumny w celu zasilenia jej ciecz.
Z kota odprowadzana jest ciecz wyczerpana zawierajca skadniki cikie, a nie zawrcona
do kolumny cz skroplin stanowi destylat bogaty w skadniki lejsze [61]. Rektyfikacja jest
operacj o znacznym rozpowszechnieniu przemysowym wynikajcym z zalet tej metody jako
termicznego rozdziau ciekych mieszanin, pozwalajcych na optymalne wykorzystanie
surowcw przy minimalizacji nakadw energetycznych. Niska temperatura w kotle kolumny
zapewnia jednoczenie minimalne stenie produktw rozkadu skadnikw rektyfikowanych
w aparacie, co chroni rodowisko naturalne przed zanieczyszczeniem [73]. Rektyfikacj
37
prowadzi si w kolumnach (jednej albo kilku poczonych szeregowo). Faza cieka przepywa
przez kolumn grawitacyjnie z gry do dou, faza gazowa przemieszcza si od dou do gry
wskutek rnicy cinie. Kolumna rektyfikacyjna ma ksztat stojcego walca. Wewntrz
kolumna wyposaona jest w pki o rnej konstrukcji lub zawiera wypenienie. Wypenienie
stanowi drobne elementy szklane lub metalowe stosowane celem powikszenia powierzchni
zetknicia fazy ciekej z gazow (np. piercienie Raschiga) mog by stosowane jako
zamiennik naturalne zeolity [94]. Konsekwencj rnic konstrukcyjnych w kolumnach
pkowych i z wypenieniem jest to, e w kolumnie pkowej zetknicie faz odbywa si tylko
na pkach, podczas gdy w kolumnie z wypenieniem kontakt fazy ciekej i gazowej zachodzi
nieprzerwanie na caej dugoci kolumny.
Procesy skojarzone
Wysokotemperaturowe procesy przemysowe oraz energetyczne spalanie paliw od
wielu lat znajduj zastosowanie jako jedna z termicznych metod utylizacji odpadw.
Bezporedni przesank do skojarzenia tych procesw ze spalaniem odpadw palnych jest
ch zaoszczdzenia paliw podstawowych jako nieodnawialnych bogactw przyrody.
Najpowszechniej obecnie wykorzystywany jest do tego celu proces wypalania
klinkieru cementowego w piecach obrotowych. W procesie tym istniej prawie idealne
warunki do utylizacji odpadw niebezpiecznych [137,139]:
o wewntrz piecw cementowych panuj bardzo wysokie temperatury, wynikajce
z potrzeby podgrzania materiaw wsadowych do okoo 1450oC a nawet 1800oC,
o duga i wska komora spalania zapewnia dugi czas przebywania gazw w wysokich
temperaturach (4-10s), co w poczeniu z du turbulencj strumienia gazw powoduje
w zasadzie cakowity rozkad oraz spalenie czci palnych,
o omawiany proces cechuje si du powierzchni wymiany masy i ciepa, ktra podlega
cigej i wydajnej regeneracji, co w zwizku z wystpowaniem silnie alkalicznego
rodowiska przyczynia si do daleko posunitej absorpcji w zawiesinie mki
surowcowej kwanych zanieczyszcze gazowych, powstajcych w procesie spalania
(HCl, HF, SO2),
o piece cementowe zapewniaj take znaczn bezwadno ciepln, wykluczajc szybkie
zmiany temperatury (np. w trakcie chwilowego zaniku pomienia),
o niepalne czci paliw odpadowych oraz zawarte w nich metale cikie trwale i prawie
w caoci wbudowuj si w klinkier, przez co proces ten nie jest rdem powstawania
38
odpadw wtrnych, charakterystycznych dla typowych spalarni odpadw
[151,152,156].
Maksymalna dawka kierowana do pieca cementowego zaley gwnie od skadu stosowanych
odpadw i ich wartoci opaowej, ale te od parametrw technicznych pieca. Powinna ona
zapewnia prawidowy przebieg caego procesu wypalania klinkieru, w tym nie zagraa
stosowanym urzdzeniom oraz nie wpywa negatywnie na jako produkowanego cementu
(jednostkowo wprowadzano nawet do 30% odpadw).
Wrd innych gazi przemysu, w ktrych stosuje si rednio
i wysokotemperaturowe procesy obrbki rnych surowcw jest duy potencja moliwoci
zastosowania odpadw jako nonika energii czciowo zastpujcych paliwa podstawowe.
Wymieni tutaj mona choby przemys wapienniczy, ceramiczny, szklarski, tworzyw
sztucznych, petrochemiczny, metalurgiczny [99,110].
W kotach stosowanych w energetyce rwnie moliwe jest wykorzystanie odpadw
w mieszance z wglem czy innym paliwem tradycyjnym. Dotyczy to gwnie odpadw
zaliczanych do innych ni niebezpieczne lub sporzdzonych z nich paliw zastpczych (SRF,
RDF) (odpady komunalne, biomasa, zuyte opony, osady ciekowe, zaolejone odpady,
substancje tuszczowo-oleiste itp.). Stosowanie odpadw lub paliw odpadowych
w paleniskach kotowych wymaga specjalnego zezwolenia i moe powodowa szereg
problemw eksploatacyjnych. W tabeli 4.7. zawarto porwnanie warunkw temperaturowych
w rnych obiektach do spalania odpadw [3,150,167,173,193].
Tab 4.7. Porwnanie warunkw temperaturowych w rnych urzdzeniach do spalania odpadw i obrbki surowcw oraz kotach energetycznych [193]
typ urzdzenia
temperatura gazw
oC
czas przebywania spalin w wysokich temperaturach, s
piece rusztowe bez dopalania spalin 900-950 1 piece rusztowe z dopalaniem spalin 900-1200 2-3 piece obrotowe z komor dopalania spalin 850-1300 2-3 piece cementowe 1400-1600 8-10 piece wapiennicze 1095 8 piece hutnicze 1870 1 piece do wypalania cegy 1200 4 piece szklarskie 1260 4 tradycyjne koty stosowane w energetyce 950-1050 1
Recommended