Prezentace - technika a technologie zpracování odpadů

Termické zpracování odpadů - SPALOVNY
Katedra technologických zařízení staveb
Termické zpracování odpadů
SPALOVNY
Ing. Jan Malaťák, Ph.D.
Praha 2006
Termické zpracování odpadů - SPALOVNY
Katedra technologických zařízení staveb
Termické zpracování odpadů
Těmito postupy jsou původně nebezpečné látky v hořlavých odpadech přeměněny na
poměrně neškodné produkty. Přitom ovšem nutno mít na paměti, že uvedené termické metody nejsou
konečným způsobem odstranění odpadů, neboť vznikají vedlejší produkty, jimiž je popel (struska) a
plynné látky, jež obsahují škodlivé plynné i pevné částice.
a) Procesy oxidační, což jsou procesy termického zneškodnění odpadů, při nichž je obsah
kyslíku v reakčním prostoru stechiometrický nebo vyšší vzhledem k obsahu hořlavých látek ve
zpracovávaném odpadu. V tomto případě budeme hovořit o spalování odpadů. Další členění těchto
oxidačních (spalovacích) procesů je pak možné dle teplot v reakčním prostoru a to na procesy:
•
nízkoteplotní s teplotou reakčního prostoru do 1 000 °C;
•
vysokoteplotní s teplotou reakčního prostoru nad 1 000 °C.
b) Procesy redukční, jimiž rozumíme takové procesy termického zneškodňování odpadů, při
nichž je obsah kyslíku v reakčním prostoru nulový nebo podstechiometrický vzhledem k obsahu
hořlavých látek ve zpracovávaném odpadu. Mezi tyto procesy řadíme pyrolýzu a zplyňování.
Pyrolýza odpadů je tepelný rozklad organických odpadních látek za nepřístupu oxidačních
medií (vzduch, kyslík, oxid uhličitý, vodní pára) v reakčním prostoru, při němž se při teplotách
nejčastěji v rozmezí 500 °C až 1000 °C výšemolekulární organické látky rozpadají na jednoduché
těkavé produkty a koks.
Zplyňování odpadů je řízený tepelný rozklad odpadních látek při teplotách nad 800 °C za
podstechiometrického obsahu kyslíku v reakčním prostoru, směřující k přeměně uhlíkatých materiálů na
plynné hořlavé látky požadovaného složení.
Termické zpracování odpadů - SPALOVNY
Vlastnosti spalovaných odpadů
Spalovací technologie může být
aplikována na širokou řadu odpadů, ať již se jedná o
odpady komunální (včetně kalů z čistíren odpadních
vod), průmyslové, zemědělské či zvláštní,
vyskytující se ve všech fyzikálních konzistencích,
tj. ve skupenství tuhém, tekutém, plynném či
pastovitém.
Každé palivo je charakterizováno jednak
obsahem
hořlaviny
(především
obsahem
spalitelných látek, tj. uhlíku, vodíku, síry); jednak
obsahem popela (je určen celkovým množstvím
minerálních látek a označován písmenem A) a
vlhkosti (označováno W).
Hranicí pro spalování tuhého odpadu bez
přívodu podpůrného paliva je minimální výhřevnost
odpadu 5 000 kJ.kg-1; této podmínce odpovídá
následující složení odpadu:
•obsah popela A ≤ 60 %;
•obsah vlhkosti W ≤ 50 %;
•obsah hořlaviny C ≥ 25 %.
Platí: C+W+A=100%
Tyto podmínky složení odpadů jsou
reprezentovány
Tannerovým
(trojným)
diagramem.
Katedra technologických zařízení staveb
Termické zpracování odpadů - SPALOVNY
Katedra technologických zařízení staveb
Výhody a nevýhody spalování
Jde především o snížení objemu odpadů na cca 10 % až 15 % objemu původního (odpovídá
snížení hmotnosti na 20 až 40 % hmotnosti původní), což ve srovnání s dalšími metodami
zneškodňování, tj. kompostováním nebo skládkováním, je snížení mnohem výraznější. Významnou
předností metody spalování je rovněž skutečnost, že pro mnohé typy odpadů (např. chemické odpady,
zvláštní zdravotní odpady), je to prakticky jediný vhodný způsob zneškodnění, přičemž zbytek po
spalování je tuhý, sterilní a většinou nepodléhá dalšímu rozkladu.
Spalování odpadů však má rovněž své nevýhodné stránky, k nimž patří zejména:
• vysoké investiční náklady na výstavbu spaloven;
• vysoké náklady na provoz a údržbu zařízení;
• potřeba kvalifikovaného personálu pro provoz a údržbu;
• problémy s možnostmi využití vyrobeného tepla;
• možná destrukce odpadních látek potenciálně recyklovatelných;
• nezbytnost nákladných opatření k zábraně emisí do ovzduší a vody.
Termické zpracování odpadů - SPALOVNY
Katedra technologických zařízení staveb
Základní druhy spalovacích zařízení na zneškodňování odpadů
Roštové pece
Pece s pevnými rošty
Pece s pohyblivými rošty:
a)
natřásací rošty,
b) pásové rošty,
c)
posuvné rošty,
d) otočné rošty,
e)
válcové rošty.
Bubnové rotační pece
Rotační spalovací zařízení s dohořívací komorou:
1-hořák v pevné vstupní hlavě, 2-sušicí pásmo, 3-spalovací pásmo, 4-vychlazovací pásmo, 5-sekundární vzduch, 6-dohořívací
a usazovací komora, 7-kontrolní okénko.
Termické zpracování odpadů - SPALOVNY
Katedra technologických zařízení staveb
Šachtové pece:
Kuplovna
Šikmá pec
Etážové pece
Etážová pec:
a-sušící pásmo, b-spalovací pásmo, c-chladící pásmo, 1-přídavné spalování odpadních kapalných paliv, 2-ventilátor
chladícího vzduchu, 3-výstup ohřátého vzduchu, 4-ohřátý vzduch do hořáků, 5-přívod odpadního materiálu, 6-odvod
plynných spalin, 7-etáže sušícího pásma, 8-odvod tuhých zbytků po spalování.
Termické zpracování odpadů - SPALOVNY
Katedra technologických zařízení staveb
Muflové pece
Fluidní pece
Fluidní ohniště jako přídavné spalovací zařízení k parním kotlům:
1-prostor fluidní vrstvy, 2-uklidňovací prostor, 3-výstup spalin, 4-přívod paliva, 5-průlezová dvířka, 6-zapalovací otvor,
7-fluidizační vzduch, 8-fluidní rošt, 9-chladící voda, 10-výpusť propadu, 11-výpusť popela z fluidní vrstvy.
Komorové pece
Prostorové pece
Termické zpracování odpadů - SPALOVNY
Katedra technologických zařízení staveb
Schéma roštové spalovny komunálního odpadu
Termické zpracování odpadů - SPALOVNY
Katedra technologických zařízení staveb
Schéma roštové spalovny komunálního odpadu
Termické zpracování odpadů - SPALOVNY
Katedra technologických zařízení staveb
Základní technologické funkce spalovny:
•příjem a skladování odpadů;
•sázení a spalování odpadů;
•chlazení nebo využívání tepla spalin;
•čištění spalin a odvod spalin (komín);
•odstranění pevných zbytků po spalování.
Tok materiálů (schéma) spalovny komunálních odpadů
Termické zpracování odpadů - SPALOVNY
Katedra technologických zařízení staveb
Příjem a skladování odpadů
Po průchodu vážícím zařízením auta na svoz odpadů vyprazdňují svůj náklad do uskladňovacího bunkru
(zásobníku). Hlavním úkolem uvedených zásobníků je zajištění dostatečné zásoby odpadů pro zabezpečení
kontinuálního (24 hodin denně) provozu spalovny při poměrně krátké době (8 hodin denně) dopravy odpadů
do areálu spalovny. Potřebná skladovací kapacita je tedy určena poměrem mezi dobou periody svážení
odpadů a dobou periody zavážení spalovací pece. Délka zásobníku je určena potřebným počtem vykládacích
míst a jejich počet je zase závislý na počtu aut dovážejících odpady během doby periody svozu. Ve velkých
spalovnách bývají rezervována separátní vykládací místa pro průmyslový a obchodní odpad. Na jedné straně
zásobníku bývá instalováno zvláštní stříhací zařízení nebo rotační nárazový lamač pro redukci objemných
částí odpadu na velikost vhodnou pro sázení do pece.
Hluboké zásobníky musí být vybaveny bezpečnostním zařízením pro zabránění pádu vozidla do
zásobníku; nezbytné je rovněž vybavení hasicím zařízením pro případný vznik požáru v zásobníku. Celá
oblast zásobníku musí být udržována při slabém podtlaku, aby bylo zabráněno úniku zápachu.
Termické zpracování odpadů - SPALOVNY
Katedra technologických zařízení staveb
Sázecí zařízení
Odpad ze zásobníku je sázen do spalovací pece obvykle pomocí mostového jeřábu, který umožňuje jak
podélný, tak i příčný pohyb nad zásobníkem. Jeřáby pro spalovny patří do kategorie jeřábů určených pro
těžké podmínky. Chapadla jeřábů musí umožnit nejen vlastní sázení (jejich kapacita bývá 1 až 4 m3) do pece,
ale rovněž promíchávání odpadů v zásobníku a jeho vyhovující vyčištění.
Vlastní sázení odpadu do pece probíhá pomocí sázecí násypky. Tato sestává z ocelové konstrukce,
obyčejně ve spodní části uzavřené pomocí hydraulicky ovládaného šoupátka.
Odstraňování popela
Procesy spalování odpadů produkují pevné zbytky pocházející ze tří různých zdrojů: jednak z propadu
jemných částic roštem, jednak ze zbytků po spalování na konci roštu (škvára, popel) a konečně i tuhé zbytky
z chlazení a čištěni spalin. Zbytky po spalování (popel, škvára, kovové části apod.) jsou kontinuálně
odstraňovány na konci posledního roštu a chlazeny ve vodní nádrži. Z chladicí nádrže jsou pevné zbytky
odstraňovány pomocí řetězového konveyoru a skládkovány společně s ostatními pevnými zbytky na skládce
odpovídajícího typu. V některých případech možno sklovitou škváru a popel využít pro stavební účely;
železné kovy (hlavně plechovky, konzervy apod.) lze magneticky separovat a využít jako železný šrot.
Konečné zneškodnění škváry ze spalovny obvykle nečiní problémy, avšak popílek (z odlučovačů) často
obsahuje značné množství těžkých kovů, proto jeho skládkování je možné jen na skládce nebezpečných
odpadů.
Termické zpracování odpadů - SPALOVNY
Katedra technologických zařízení staveb
Chlazení spalin
Teplota spalin opouštějících spalovací komoru, respektive komoru dodatečného spalování (bývá
mezi 800°C až 1 300°C) je příliš vysoká pro přímý vstup do zařízení na čištěni spalin. Příkladně
teplota spalin na vstupu do elektrostatického odlučovače by neměla přesáhnout 350°C, což umožní
jeho konstrukci z lacinějších neušlechtilých ocelí. Pro zajištění potřebného zchlazení spalin možno
použít některý z následujících způsobů:
•
chlazení vodními sprchami;
•
chlazení vzduchem;
•
chlazení ve výměníku.
Odvod spalin, komín
Vzhledem k tomu, že spalovny pracují obvykle s umělým tahem, vyvozeným účinkem
spalinového ventilátoru, má komín za úkol pouze odvod spalin do ovzduší a výška komína je v
tomto případě určena pouze hledisky hygienickými, případně urbanistickými.
Provedení komínů bývá zděné, železobetonové, nejčastěji ocelové; ocelové komíny bývají
buď s vyzdívkou nebo bez, což závisí na teplotách a složení odváděných spalin. Komíny se stavějí
jako kotvené nebo samonosné.
Termické zpracování odpadů - SPALOVNY
Katedra technologických zařízení staveb
Produkty termických procesů
Zařízení pro termické zneškodňování odpadů sice přinášejí celou řadu příznivých
aspektů do oblasti nakládání s odpady, přesto však jejich použití není zcela bez negativních vlivů
na prostředí, jež vyplývají především z nutnosti ošetřit produkty spalovacích procesů.
Tento problém vyplyne zřetelněji z bilančních hodnot produktů spalování vznikajících
ve spalovně komunálních odpadů na každou tunu spalovaných odpadů:
• 6 000 m3N.t-1 spalin;
• 0,25 až 0,4 t.t-1 pevných zbytků;
• několik m3.t-1 odpadní vody;
jež je nutno odvést do ovzduší, stok či vodních toků, či do půdy.
Tuhé odpady ze spalovny
Prakticky u každé technologie termického zneškodňování se vyskytuji následující
druhy tuhých zbytků:
• škvára, struska nebo polokoks jako hlavní zbytek po termickém procesu;
• tuhé částice ze suchého odprášení spalin;
• tuhý zbytek (nebo kal) z procesu čištění spalin;
• tuhý zbytek (nebo kal) z procesu čištění technologických vod.
Termické zpracování odpadů - SPALOVNY
Katedra technologických zařízení staveb
Hlavní tuhý zbytek
Hlavním tuhým zbytkem je u rozdílných termických technologií škvára (popel), struska nebo
polokoks, které mohou představovat nebezpečí při svém volném deponování především kvůli výluhům
kovových iontů.
Výrazné omezení vyluhovatelnosti kovových iontů lze dosáhnout protavením strusky,
přičemž i prostým roztavením strusky bez aditiv dochází k vytvoření pevné vazby kovových složek
(včetně těžkých kovů) do vysoce nerozpustných minerálů spinelového typu. Vyluhovatelnost těchto
složek lze také částečně nebo zcela omezit aplikací vhodného salidifikačního postupu (cementace,
bitumenace, vitrifikace).
Tuhé podíly z odprášení a čištění spalin
Tyto tuhé podíly jsou řádově nebezpečnější než hlavní tuhý zbytek. Jedná se většinou o
velmi jemné prachy nebo kaly, obsahující vysoké koncentrace polychlorovaných dibenzodioxinů
(PCDD) a dibenzofuranů (PCDF) a kovové oxidy s vysokým podílem těžkých kovů, zvláště těkajících v
podmínkách při nichž spalování probíhá (ZnO, CdO, PbO, Al2O3) a většinu rtuti, kterou odpady
obsahovaly a to jak v kovové, tak i v oxidické formě.
Pro odstranění těchto toxických prachů se používá technologie recyklace do spalovacího
procesu; tento postup však vede k nárůstu koncentrace složek v primárním čisticím okruhu.
Jinou možností je aplikace mokrých procesů čištění spalin, umožňujících z oběhového pracího média
těžké kovy srážet, filtrovat a takto získávat dále zpracovatelný koncentrát.
Termické zpracování odpadů - SPALOVNY
Katedra technologických zařízení staveb
Plynné produkty spalování
Typické složení surových spalin ze spalovny odpadů.
Složka
Obsah
H2O
10 - 18 % obj.
CO2
6 - 12 % obj.
O2
7 - 14 % obj.
CO
< 0 1 % obj.
Prach
2 - 15 g.m-3N
Cl
400 - 2 000 mg.m-3N (jako HCl)
F-
0,5 - 2 mg.m-3N (jako HF)
SO2 + SO3
400 - 1 000 mg.m-3N (převážně SO2)
NO + SO2
100 - 400 mg.m-3N (převážně NO)
Termické zpracování odpadů - SPALOVNY
Základní úlohy technologií
používaných pro čištění spalin
a) zachycení maxima prachu (a tím i těžkých
kovů a PCDD / PCDF);
b) odstranění kyselých složek spalin (SOx,
HCl, HF);
v závislosti na obsahu škodlivin ve
vstupujících odpadech mohou přicházet v
úvahu i další, doplňkové technologie, jejichž
úlohou je:
a)odstranění SOx;
b) odstranění stopových příměsí (PCDD /
PCDF, Hg).
Katedra technologických zařízení staveb
Termické zpracování odpadů - SPALOVNY
Katedra technologických zařízení staveb
Čištění spalin
Odlučování prachových částic
Prachové částice představují hlavní zdroj potenciálních emisí spaloven; jejich obsah ve spalinách je
určen celou řadou faktorů: obsahem popela v odpadu, výškou lože odpadu a množstvím spalovacího
vzduchu přiváděného pod rošt, stupněm promíchávání odpadů na roštu či na nístěji spalovací pece a
rychlostí proudění plynu. Ve spalovnách komunálního odpadu tíha prachových částic ve spalinách
obvykle činí 10 až 75 kg.t-1 odpadu, neboli 2 až 15 g.m-3N spalin (při návrhu nových spaloven bývá
běžně uvažován směrný obsah prachu 5 až 10 g.m-3N).
Prachové částice mohou být zachycovány různými typy odlučovačů, pracujících na základě
rozdílných principů, s různou účinností a s různou vhodností pro jednotlivé druhy prachů.
Dle principu funkce možno tato zařízení členit na:
•
odlučovače mechanické (suché, mokré);
•
odlučovače elektrické (suché, mokré);
•
filtry.
Termické zpracování odpadů - SPALOVNY
Katedra technologických zařízení staveb
Odlučovače mechanické (suché, mokré)
Suchý vírový odlučovač
(cyklón)
1 – vstup plynu; 2 – odstředivá komora;
3 – výmetný otvor; 4 – výsypka;
5 – výstup vyčištěného plynu
Sestava vírových článků
Mokrý vírníkový
odlučovač
1 – vírové trubice; 2 – rozváděcí lopatky;
3 – trysky; 4 – vírník; 5 – odvod kalu;
6 - výstup
Termické zpracování odpadů - SPALOVNY
Katedra technologických zařízení staveb
Odlučovače mechanické (suché, mokré)
A
B
C
Příklady uspořádání mokrých proudových odlučovačů (pračky Venturi)
A - proudový odlučovač Korting, Aeroget; B - proudový odlučovač Matra, Venturi; C - proudový odlučovač Pease
Antony skruber; 1- vstup plynů; 2 - výstup plynu; 3 - výstup plynu
Termické zpracování odpadů - SPALOVNY
Odlučovače elektrické
Schéma elektrického odlučovače
1 – izolátor; 2 – vyzařovací elektrody; 3 – sběrné
elektrody; 4 – vstup znečištěných plynů; 5 – prach;
6 – zásobník prachu; 7 – výstup čistých plynů; 8 –
transformátor a usměrňovač vysokého napětí
Katedra technologických zařízení staveb
Termické zpracování odpadů - SPALOVNY
Katedra technologických zařízení staveb
Filtry
Rukávový filtr s mechanickým oklepáváním
Typické hodnoty celkové účinnosti jednotlivých odlučovačů:
•
cyklóny do 85%;
•
filtry přes 99 %;
•
elektrostatické odlučovače přes 99 %;
•
mokré scrubbery 90 až 95 %.
Termické zpracování odpadů - SPALOVNY
Katedra technologických zařízení staveb
Odstraňování (zachycování) kyselých složek
Podle charakteru možno procesy odstraňování kyselých složek rozdělit v závislosti na
fyzikálním stavu sorpčního činidla do tří základních skupin:
•
suché procesy;
•
polosuché procesy;
•
mokré procesy.
Termické zpracování odpadů - SPALOVNY
Katedra technologických zařízení staveb
Suché a polosuché procesy
Suché čištění spalin
1 – surové spaliny; 2 – čisté spaliny; 3 – reaktor; 4 – trysky; 5 –
elektrofiltr; 6 – spalinový ventilátor;
7 – dopravníky prachu; 8 – procesní voda; 9 – stlačený vzduch; 10 –
zásobník aditiva
Polosuché čištění spalin
1 – surové spaliny; 2 – čisté spaliny; 3 – rozprašovací
absorbér; 4 – trysky; 5 – fitr; 6 – spalinový ventilátor; 7 –
dopravník prachu; 8 – silo recyklu; 9 – vápenné mléko; 10 –
procesní voda; 11 – tlakový vzduch; 12 – silo páleného
vápna; 13 – hašení vápna; 14 – tuhý produkt
Termické zpracování odpadů - SPALOVNY
Katedra technologických zařízení staveb
Mokré procesy
Mokré čištění spalin
Termické zpracování odpadů - SPALOVNY
Katedra technologických zařízení staveb
Denitrifikace spalin
Vysokoteplotní procesy jsou doprovázeny tvorbou oxidů dusíku, jejichž vznik nastává třemi
základními způsoby:
•
oxidací dusíku ze spalovacího vzduchu za vysokých teplot (tzv. vysokoteplotní NOX);
•
oxidací dusíku chemicky vázaného v palivu (tzv. palivové NOX);
•
radikálovými reakcemi na rozhraní plamene z chemicky vázaného dusíku v palivu (tzv.
promptní NOX).
Nekatalytický (horký) proces (Selective NonCatalytic Reduction SNCR)
Katalytický proces (Selective Catalytic Reduction, SCR)
Termické zpracování odpadů - SPALOVNY
Katedra technologických zařízení staveb
Odstraňování stopových příměsí
Pro odstranění stopových příměsí škodlivin je jako speciální dočišťovací proces využívána metoda
jejich adsorpce na aktivním uhlí nebo koksu. Průchodem spalin přes aktivní vrstvu dochází k zachycení
zejména organokovových škodlivin a rtuti, což umožňuje účinné snížení jejich obsahu ve spalinách
odváděných do ovzduší.
Použité aktivní uhlí je sice možno termicky regenerovat, přesto je však aplikace této metody finančně
nákladná. V některých spalovnách je proto tento dočišťovací proces na aktivním uhlí využíván s časovým
omezením na spalování odpadů se zvýšeným obsahem škodlivin.
Odpadní vody ze spaloven odpadů
Odpadní vody vznikají ve spalovnách odpadů jednak při chlazení hlavního tuhého zbytku (popel,
škvára), při čištění spalin využívajícím mokré odlučovače a dále v případech instalace kotle na odpadní teplo
z čištění napájecí vody pro kotel.
Chladicí voda obsahuje vyloužené soli a nespálené organické složky z tuhého zbytku a rovněž v
suspenzi obsažené pevné částice. Pokud je pro čištění spalin využíváno mokrého postupu, pak vzniklý roztok
s kalem má kyselou reakci v důsledku absorpce plynných složek (HCl, SO2, SO3, CO2, NOx); po usazení
částic může být prací voda částečně recirkulována.
Termické zpracování odpadů - SPALOVNY
Katedra technologických zařízení staveb
Využití odpadního tepla
Spalování odpadů je svázáno s produkcí tepla, které může být vhodným způsobem navráceno a využito;
v jediném procesu tak dochází k současnému zneškodnění odpadu a uvolnění tepla, jež může být
konvertováno na využitelnou energii. K tomuto je možno využít dva základní procesy: jednak využití tepla
odcházejících spalin ve výměníku nejčastěji rekuperativního typu k předehřátí spalovacího vzduchu
přiváděného následně ke spalování odpadů, jednak využití tepla spalin k výrobě páry nebo teplé užitkové
vody v kotli na odpadní teplo. Přitom výroba páry při využití odpadního tepla ze spaloven odpadů je mnohem
častější než příprava teplé užitkové vody nebo předehřev spalovacího vzduchu.
Schéma nepřímého chlazení spalin
ve spalovacím prostoru
1 - odpady ke spálení, 2-stabilizační palivo,
3 - spalovací vzduch, 4 - spaliny od odpadů
a stabilizačního paliva, 5-pára
Schéma nepřímého chlazení spalin v kotli
na odpadní teplo
1 - odpady ke spálení, 2 - stabilizační palivo,
3 – spalovací vzduch,
4 - spaliny od odpadů a stabilizačního paliva,
5 - voda, pára nebo vzduch