PL231914B1 - Sposób termicznego przekształcania odpadów organicznych oraz układ do termicznego przekształcania odpadów organicznych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób termicznego przekształcania odpadów organicznych oraz układ do termicznego przekształcania odpadów organicznych.

Postęp techniczny w zakresie metod termicznej utylizacji odpadów jest dynamiczny. Wiele firm próbuje znaleźć najlepsze rozwiązanie aby możliwie najsprawniej, najekonomiczniej i w zgodzie z obowiązującymi przepisami dotyczącymi ochrony środowiska zutylizować odpady. Ponieważ odpady posiadają stosunkowo dużą wartość kaloryczną w związku z tym, naturalnym kierunkiem jest próba odzyskania jej w możliwie najwyższym stopniu.

Najpopularniejszą metodą utylizacji odpadów jest ich spalenie w wysokich temperaturach w bardzo złożonych i drogich instalacjach - różnego rodzaju kotłach paleniskowych.

Prekursorami w realizacji tej technologii są przedsiębiorstwa Alstom (Foster-Wheeler), LurgiLentjes-Deutsche Babcock Energie (LLBj) oraz Babcock-Wilcox. Pierwsza w świecie spalarnia odpadów komunalnych powstała w 1875 r. w Meanwood Road w Anglii. Natomiast pierwsza niemiecka spalarnia odpadów komunalnych powstała w Hamburgu w 1892 r. Od połowy lat 60. XX wieku nastąpił dynamiczny rozwój instalacji do termicznej utylizacji odpadów w krajach Europy Zachodniej. Aktualnie w Europie pracuje około 400 spalarni odpadów komunalnych w większości spełniając unijne normy emisji do środowiska.

Odpady komunalne i osady ściekowe w świecie są w mniejszym lub większym stopniu przetwarzane, bądź powtórnie wykorzystywane (kompostowanie, spalanie, zgazowanie itp.). Stopień ich wykorzystania jest uzależniony od poziomu rozwoju gospodarczego kraju i waha się od 15% dla państw o niższym stopniu rozwoju, do 85% dla tych najbardziej rozwiniętych. Na tym tle Polska lokuje się szczególnie niekorzystnie - zagospodarowując jedynie 3,8% odpadów komunalnych - wskazując rozmiar rezerw krajowych zasobów odnawialnych nośników energii. Spalaniu poddawane są odpady komunalne i osady ściekowe. Najczęściej twórcy szczegółowych rozwiązań, proponują współspalanie odpadów komunalnych oraz osadów ściekowych z węglem kamiennym bądź brunatnym w elektrociepłowniach, elektrowniach czy cementowniach.

Spalanie jest skuteczną i powszechnie stosowaną metodą zmniejszania ilości powstających odpadów w krajach Wspólnoty Europejskiej jednak jest metodą niezwykle kosztowną tak pod względem inwestycyjnym jak i operacyjnym.

Ponadto, spalanie jest rozwiązaniem o olbrzymim negatywnym wpływie na środowisko naturalne pomimo ciągłego doskonalenia technik oczyszczania spalin. W połowie lat 90. standardem był system oczyszczania spalin składający się z elektrofiltru dwustopniowego mokrego systemu absorpcyjnego, węzła adsorpcji na węglu aktywnym i katalizatorów do redukcji tlenków azotu i rozkładu dioksyn. Sam system oczyszczania spalin stanowił znacznie ponad 50% kosztów budowy spalarni odpadów przy czym pozwalał na zachowanie dopuszczalnych poziomów emisji.

Obecnie w niektórych instalacjach oczyszczania spalin stosuje się suchy system polegający na wtrysku reagenta wapniowego - CaO, Ca(OH)2 lub sodowego - NaHCO3, wtrysku pylistego węgla aktywnego, odpylania na filtrach tkaninowych, zastosowaniu niekatalitycznej selektywnej redukcji tlenków azotu (SNCR), polegającej na wprowadzeniu wody amoniakalnej lub roztworu mocznika do kotła. Jak widać, wszelkie odmiany zastosowanych technologii oczyszczania spalin w procesie spalania odpadów, wymagają dozowania olbrzymich ilości dodatkowych związków chemicznych. Tym sposobem w wielu przypadkach spalarnie generują wagowo nie mniej odpadów w stosunku do wagi odpadów spalanych.

Największymi dostawcami spalarni rusztowych są obecnie: Babcock & Wilcox Volund (Dania), Martin (Niemcy), CNIM (Francja), Austrian Energy & Environment (Austria, Szwajcaria), Keppel Seghers (Belgia) i wiele innych.

Do podstawowych wad procesu spalania odpadów należy zaliczyć:

- powoduje zanieczyszczenie powietrza gazami o dużej szkodliwości dla człowieka. Zanieczyszczenia występujące poniżej normy nie tracą swojej cechy szkodliwości, a poziom graniczny normy jest umowny i nie ma gwarancji, że został właściwie określony;

- powstawanie znacznej ilości żużla i popiołów;

- na jedną tonę spalonych odpadów komunalnych pozostaje od 290 do 320 kg żużla i pyłu w zależności od rodzaju procesu oczyszczania spalin (proces: suchy, półsuchy, mokry);

- „produktem” spalania odpadów są ścieki powstające podczas chłodzenia żużla z paleniska oraz ścieki z mokrego oczyszczania spalin. Ścieki zawierają szereg substancji silnie trujących

PL 231 914 B1 takich jak fenole, cyjanki, fluorki, arsen i metale ciężkie. Często koniecznym jest wybudowanie oczyszczalni ścieków przy spalarni;

- spalarnia niejednokrotnie wytwarza nawet więcej odpadów niż zostaje do niej wprowadzonych. Wynika to z prostego faktu, że w procesie spalania odpadów dodatkowo dostarczany jest tlen, woda i inne substancje wspomagające proces oczyszczania gazów;

- wymaga bardzo rozbudowanego systemu odpylającego i wysoko sprawnego systemu oczyszczenia spalin, które podrażają koszty inwestycyjne spalarni;

- w wyniku procesu spalania powstają tysiące nowych związków chemicznych, których nie zawierały odpady przed spaleniem. Spalarnie działają jak chemiczne syntezatory (w trakcie spalania część związków chemicznych ulega rozkładowi ale jednocześnie atomy rozpadających się cząstek wchodzą w reakcje z innymi, tworząc nowe substancje często bardziej niebezpieczne niż pierwotne, zawarte w odpadach);

- powstawanie odpadów o wysokiej toksyczności;

- negatywny wpływ na środowisko zwłaszcza na atmosferę, do atmosfery są emitowane niebezpieczne związki z grupy dioksyn i furanów;

- spalanie prowadzone niewłaściwie daje pozostałości zawierające substancje organiczne i mikroorganizmy chorobotwórcze;

- koszt budowy spalarni odpadów jest najwyższy w porównaniu do wszystkich innych technologii oferowanych na rynku;

- koszt eksploatacji bardzo wysoki - musi przełożyć się na opłaty dla społeczeństwa;

- negatywny wizerunek społeczny;

- wymaga budowy specjalnych wysypisk na odpad technologiczny (popiół i odpady z oczyszczania spalin odlotowych), które najczęściej zaliczane są do toksycznych ponieważ w zależności od stopnia oczyszczania gazów, gromadzi się najgroźniejsza część toksyn. Dla zabezpieczenia wymywania z nich substancji toksycznych, scala się je w wyrobach betonowych lub przeprowadza proces zeszkliwienia. Podnosi to koszt spalania;

- wzrasta ilość emitowanych do atmosfery pyłów, bardzo uciążliwa w eksploatacji, technologia stosowana jedynie w dużej skali.

Termicznej utylizacji odpadów - w założeniach kompleksowej gospodarki odpadami - poddawana jest tylko ta pozostałość, która wobec wcześniejszych, nadrzędnych metod utylizacji utraciła swoje walory użytkowe, a może być wykorzystana jeszcze jako surowiec energetyczny. Już przed I wojną światową podjęto działania badawczo-wdrożeniowe nad uszlachetnieniem płynnych oraz mazistych pozostałości z przerobu ropy a potem odpadów komunalnych i komunalnych osadów ściekowych. Dziś te właśnie procesy nabrały szczególnego ekologicznego i ekonomicznego znaczenia w zagospodarowaniu oraz neutralizowaniu rozlicznych odpadów komunalnych i osadów ściekowych. Te właśnie procesy górują nie tylko ekonomiczną efektywnością nad spalaniem w elektrociepłowniach wymienionych wyżej odpadów, ale zapewniają mniejsze objętości głęboko zneutralizowanych oraz zutylizowanych pozostałości przy zdecydowanie mniejszej szkodliwości dla środowiska.

Omawiane procesy termicznej utylizacji odpadów obejmują:

- Pirolizę - specyficznością technologii pirolizy jest wykorzystanie gazu syntezowego (pozyskiwanego w pokaźnych ilościach), zawierającego głównie CO + H2 do produkcji energii elektrycznej i ciepła;

- Plazmę - pozwalającą na uzyskanie gazu syntezowego oraz zeszklonych produktów stałych; Zgazowanie - dające wysokowartościowy półprodukt w postaci gazu syntezowego - prowadzące w dodatku do znacznej neutralizacji szkodliwych dla środowiska materiałów, przy czym proces ten poprzedzony jest pirolizą organicznych składników wraz z depolimeryzacją tworzyw sztucznych.

Piroliza

Piroliza jest procesem endotermicznego przekształcania termicznego bogatych w węgiel substancji organicznych, odbywającym się w podwyższonych temperaturach (350°C do około 850°C) w środowisku całkowicie pozbawionym tlenu lub przy pomijalnie małej jego ilości (piroliza niskotemperaturowa: 350°C-500°C: wysokotemperaturowa: 700°C-850°C). Wymaga dostarczenia ciepła z zewnątrz. Podczas pirolizy masa odpadów zostaje przekształcona w:

- gaz pirolityczny zawierający głównie wodór, metan, etan i ich homologi, para wodna, tlenek i dwutlenek węgla, a także H2S, NH3, HCI i inne;

PL 231 914 B1

- koks pirolityczny - faza stała zawierająca węgiel, metale oraz inne substancje inertne;

- substancje ciekłe - mieszanina olejów, smół, wody i rozpuszczonych w niej prostych aldehydów, alkoholi oraz kwasów organicznych.

Komercyjnie proces ten jest stosowany na skalę przemysłową w kilkudziesięciu miejscach w Europie i na całym świecie. Do najbardziej znanych zakładów należą zakłady: w Burgau, Hamn w Niemczech oraz w kilkudziesięciu innych miejscach na świecie. Pomimo bezdyskusyjnych zalet i przewag technologicznych oraz środowiskowych w porównaniu do spalarni, piroliza posiada następujące wady:

- odpady muszą być rozdrabniane, mielone i lub separowane przed wejściem do pieca pirolitycznego, aby uniemożliwić blokowanie się podajnika odpadów oraz systemu transportującego;

- duża pozostałość odpadu poreakcyjnego w postaci koksiku pirolitycznego, olei i smół, stanowi około 20-35% przerabianych odpadów;

- oleje smoły pirolityczne zawierają toksyczne i rakotwórcze związki;

- koks pirolityczny nie spełnia norm UE i polskich dla składowania ze względu na dużą zawartość węgla;

- koks pirolityczny zawiera dużą ilość metali ciężkich;

- produkcja sterylnego żużla i innych pozostałości wymaga dodatkowego unieszkodliwienia koksu pizolitycznego np. w spalarniach;

- wymagane jest paliwo wspomagające do podtrzymywania procesu;

- niska efektywność energetyczna (porównywalna a nawet mniejsza niż przy spalaniu);

- powstawanie bardzo trudnych do oczyszczenia gazu pirolitycznego i syntezowego, spalin i innych produktów pirolizy (wymóg zastosowania rozbudowanego i kosztownego węzła oczyszczania i neutralizacji, podobnie jak w przypadku spalarni odpadów);

- wyższy niż dla spalarni koszt termicznego przekształcania zarówno eksploatacyjny jak i inwestycyjny.

Plazma

Plazma to termin przypisywany silnie zjonizowanemu gazowi, w którym występują neutralne cząsteczki, zjonizowane atomy oraz elektrony. Mimo, że plazma zawiera swobodne cząstki naładowane, to w skali makroskopowej jest elektrycznie obojętna. Możliwość uzyskiwania wysokich temperatur w strumieniu plazmowym stwarza możliwość destrukcji odpadów w sposób bardziej efektywny do spalania, ponieważ plazma wytworzona przez pole elektryczne podnosi temperaturę do wysokiej wartości (powyżej 3 000°C do 14 000°C a w niektórych instalacjach a nawet do 20 000°C), wyższej niż płomień w paleniskach kotłowych, a jej energia może powodować rozkład wszelkich związków chemicznych na prostsze składniki tj. przeprowadzić je w stan gazowy.

Aktualnie na świecie pracuje około 25-30 instalacji. Większość z nich stanowią spalarnie do utylizacji odpadów niebezpiecznych np.: amunicji, medycznych, garbarskich, azbestu, PCB i innych. Zastosowanie plazmy niskotemperaturowej to stosunkowo nowy pomysł. Do najbardziej aktywnych firm w oferowaniu technologii plazmowych należą następujące firmy: Plasco Engineering Group (Kanada), Alter NRG (Kanada), Pyrogenesis (Kanada), Allied Tech. (USA), Solena (USA), StarTech (USA), Geoplasma (Wielka Brytania), Europlasma (Francja).

Do podstawowych wad technologii plazmowej należy zaliczyć:

- bardzo duży koszt inwestycyjny budowy (ok. 3-krotnie wyższy od kosztów budowy klasycznej spalarni);

- duża energochłonność procesu (instalacje wymagają bardzo kalorycznych odpadów: 12-16 MJ kg). Biorąc pod uwagę, że średnia wartość opałowa odpadów komunalnych z wielkich miast wynosi w Polsce ok. 7-10 MJ kg, oznacza to, że do procesu należy dostarczyć potężną ilość dodatkowej energii;

- bardzo wysokie koszty eksploatacji - wzrost opłat dla społeczeństwa (do zutylizowania 1 kg odpadów potrzeba ok 4 MJ energii);

- wszystkie pracujące instalacje charakteryzują się dużymi kłopotami technologicznymi pracy zakładów jak również trudności w utrzymaniu dopuszczalnych emisji (władze Ottawy ostatnio zamknęły instalację firmy Plasco - 25 000 Mg rok - ze względu na liczne awarie i stałe przekroczenia dopuszczalnych emisji);

- niska efektywność energetyczna;

- dane z istniejących instalacji plazmowych nie potwierdzają szczególnie niskich emisji - jest on porównywalny do procesu spalania w spalarniach rusztowych;

- technologia opłacalna jedynie w dużej skali przerobu - powyżej 300 000 Mg rok.

PL 231 914 B1

Zgazowanie

Zgazowanie zapewnia maksymalną możliwą redukcję objętości odpadów. Stopień materiałowego wykorzystania wszelkiego rodzaju odpadów o charakterze organicznym w różnym zakresie temperatur, jest najwyższy w stosunku do wszystkich innych technologii. W dodatku proces zgazowania eliminuje w 100% dioksyny i furany, które przy niskich parametrach temperatury oraz ciśnienia nie mogą się odbudowywać. Wskaźnik sprawności zgazowania odpadów jest szczególnie wysoki wówczas, gdy utylizację uzyskanych półproduktów sprzęgnie się z innymi instalacjami w elektrociepłowniach, wyposażonych w jednostki produkcji energii elektrycznej jak np. turbogeneratory czy ORC. Postępując technologicznie taką drogą, można uzyskać równocześnie niezwykle wysokie efekty ekologiczne i ekonomiczne. Powyższa technologia została sprawdzona podczas wieloletnich testów na instalacjach tak pilotażowych jak i komercyjnych. Jej niewątpliwe przewagi nad pozostałymi technologiami spowodowały, że coraz więcej firm podejmuje decyzje o jej zastosowaniu w swoich planowanych zakładach termicznej utylizacji odpadów.

Ostatni na tak dużą skalę, zakład mineralizacji zmieszanych odpadów komunalnych wybudowano w 2012 r. w Lahti w Finlandii który ma moc przerobową około 250 000 Mg rok z produkcją około 50 MWe i 90 MWt. Zastosowana technologia pozwala na wysokosprawną utylizację jedynie zmieszanych odpadów komunalnych do postaci energii elektrycznej i ciepła.

Podstawowym założeniem modyfikacji systemu zgazowania, przy projektowaniu zakładu w Lahti było założenie spalania gazów poreakcyjnych w kotle gazowym, co w efekcie skutkowało wysoką temperaturą - 900°C.Tak wysoka temperatura i specyfika technologiczna urządzeń do zgazowania odpadów wymusza wybudowanie złożonych systemów oczyszczania gazów poreakcyjnych, które zdecydowanie podnoszą koszty budowy zakładu.

System mieszany: niskotemperaturowa quasi-piroliza i zgazowanie

Jest procesem zbliżonym do procesu zgazowania, w którym materiał o charakterze organicznym pod wpływem ogrzewania w zakresie temperatur od 300-600°C z niewielką ilością powietrza atmosferycznego, rozkłada się na związki proste tzw. gaz organiczny zawierający wysoki procent H2, CO, i niewielkie ilości węglowodorów do Ce, oraz niewielkie ilości frakcji mineralnej nieorganicznej z pozostałościami szkła i metali nie stanowiącej odpadu niebezpiecznego. Powstały gaz poddawany jest pełnemu utlenieniu metodą katalityczną do CO2 i H2O.

Podstawową cechą tej technologii jest możliwość unieszkodliwienia wszystkich odpadów o charakterze organicznym w postaci stałej, płynnej i półpłynnej, niezależnie od ich wartości kalorycznej, zawartości związków toksycznych, olejowych, popiołu, wilgotności jak również od gabarytów.

Jest jedyną na świecie technologią, która pozwala na pełną zamianę energii chemicznej dowolnego rodzaju odpadów o charakterze organicznym na energię elektryczną i ciepło. Najważniejszym aspektem tej technologii jest, pomimo że unieszkodliwiane będą odpady niebezpieczne, brak negatywnego wpływu na środowisko a w szczególności na zdrowie ludzi.

Zalety takiego systemu to:

- kompleksowość rozwiązania - możliwość utylizacji różnego rodzaju odpadów o charakterze organicznym bez względu na stan skupienia, w tym niebezpiecznych na jednej instalacji żadna z dostępnych technologii tego nie oferuje;

- sprawdzone i powszechnie działające od lat technologie - unikalne połączenie kilku technologii w wyniku czego osiągnięto efekt synergii;

- nie wymaga budowy wielkopowierzchniowych i wielkogabarytowych obiektów;

- nie wymaga konieczności wyznaczania strefy ochronnej;

- niska temperatura procesu - gwarantująca najbardziej efektywną utylizację odpadów, nie wytwarzając przy tym innych dodatkowych odpadów, przy jednoczesnym i optymalnym ze względu na parametry pracy instalacji odzyskiem energii elektrycznej;

- najwyższa efektywność przekształcania odpadów w energię - wyjątkowo niska energochłonność procesu - w związku z powyższym istnieje olbrzymia nadwyżka ciepła poreakcyjnego, która może być następnie wykorzystana do produkcji energii elektrycznej;

- korzystny bilans energetyczny procesu - najwyższa sprawność energetyczna ze wszystkich technologii dostępnych na rynku światowym przy najniższej energochłonności procesu;

- niski koszt inwestycyjny - w porównaniu do opisywanych technologii - kilkukrotnie tańsza;

- niski koszt eksploatacji - w porównaniu do innych technologii koszt jednostkowy kilkukrotnie niższy;

- poprawa warunków sanitarnych i zmniejszenie zagrożenia zdrowia mieszkańców;

PL 231 914 B1

- zintegrowane podejście - redukuje koszt operacyjny utylizacji odpadów niebezpiecznych i przemysłowych w porównaniu do innych metod, efekt synergii;

- krótki czas inwestycji - rzędu kliku do kilkunastu miesięcy od chwili uzyskania pozwolenia na budowę;

- łatwa skalowalność inwestycji;

- w procesie nie powstają dioksyny i furany;

- w procesie nie wytwarzane są dodatkowe NOx, metan i CO;

- całkowite odwodnienie odpadu;

- całkowite zdezodoryzowanie odpadu;

- całkowite utlenienie związków organicznych do H2O i CO2;

- brak dodatkowych instalacji oczyszczania spalin. Istniejące instalacje są wystarczające by dotrzymać wymagań ekologicznych;

- odpad poreakcyjny (minerał) zawiera mniej niż 1% zawartości Corg;

- metale i tlenki metali są w sposób trwały związane z częściami mineralnymi odpadu;

- referencyjność - opiera się na integracji wielokrotnie sprawdzonych w świecie technologii zaliczanych do BAT, wykorzystuje również polską myśl techniczną;

- radykalne ograniczenie ilości składowanych odpadów - w szczególności ich frakcji organicznej i podlegającej w procesie składowania przemianom chemicznym i biologicznym;

- brak komina charakterystycznego dla spalarni - pozytywny wizerunek społeczny.

- Wady tego systemu to:

Brak możliwości unieszkodliwiania odpadów nieorganicznych.

Tego typu system mineralizacji został przedstawiony w polskim zgłoszeniu patentowym P.364331, w którym zastosowano instalację do mineralizacji odpadów obejmującą reaktor z komorą wstępną, w której odpady poddaje się suszeniu i wstępnemu odgazowaniu, komorą reakcyjną w której stwarza się warunki konieczne do dokładnego odgazowania i zgazowania odpadów przy obniżonej zawartości tlenu. Przedstawiony reaktor nie ma nastawnych parametrów pracy. Tym samym, odpady muszą być doprowadzane do reaktora w ściśle określonych proporcjach, tak aby zapewnić odpowiednie warunki dla skutecznego zgazowania.

Przedmiotem wynalazku jest połączenie kilku technologii w procesie przerobu odpadów organicznych w jeden zintegrowany ciąg technologiczny pozwalający w optymalny sposób zamienić energię chemiczną odpadów na energię elektryczną i ciepło przy wykorzystaniu niskotemperaturowej quasipirolizy i zgazowania.

Przedmiotem wynalazku jest sposób termicznego przekształcania odpadów charakteryzujący się tym, że odpady przetwarza się w mineralizatorze w postaci zasadniczo poziomej, obrotowej rury z rozmieszczonymi wewnątrz niej stałymi i/lub nastawnymi elementami do przesypywania materiału w trakcie obrotu rury, w którym to mineralizatorze następuje ciągły proces zgazowania wsadu i przetworzenie wsadu na gorący gaz poreakcyjny oraz odpad nieorganiczny. W trakcie procesu mineralizacji monitoruje się zawartość tlenku węgla (CO) i wodoru (H2) w gazie poreakcyjnym i nastawia się ilość czynnika zgazowującego doprowadzanego do mineralizatora tak, aby maksymalizować zawartość tlenku węgla (CO) i wodoru (H2) w gazie poreakcyjnym i utrzymywać temperaturę gazu poreakcyjnego w zakresie od 300°C do 700°C, po czym gaz poreakcyjny doprowadza się do instalacji katalitycznego oczyszczania gazu, w której do gazu poreakcyjnego w reaktorze katalitycznym doprowadza się tlen, po czym oczyszczony gaz doprowadza się do instalacji wytwarzania energii elektrycznej i/lub ciepła.

Korzystnie, jako czynnik zgazowujący stosuje się tlen, powietrze, parę wodną, ditlenek wodoru, wodór lub ich mieszaniny.

Korzystnie, dla przeznaczonych do utylizacji termicznej odpadów przeprowadza się za pomocą analizatora cykliczne pomiary kaloryczności i/lub wilgotności, po czym nastawia się prędkość obrotową mineralizatora w zależności od kaloryczności i/lub wilgotności odpadów podawanych do mineralizatora.

Korzystnie, stosuje się obrotowy mineralizator z łopatami w strefie mineralizacji o nastawnym i/lub stałym kącie nachylenia względem osi wzdłużnej rury mineralizatora, tak że dla większych kątów nachylenia łopat w trakcie pracy mineralizatora wsad przechodzi szybciej przez strefę mineralizacji niż dla mniejszych kątów nachylenia łopat; dla przeznaczonych do utylizacji termicznej odpadów przeprowadza się za pomocą analizatora cykliczne pomiary kaloryczności i/lub wilgotności; nastawia się kąt nachylenia łopat w zależności od kaloryczności i/lub wilgotności odpadów podawanych do mineralizatora.

Korzystnie, stosuje się wiele mineralizatorów z przyporządkowanymi im mieszalnikami i za pomocą przyporządkowanych do mineralizatorów mieszalników miesza się ze sobą odpady w stosunku

PL 231 914 B1 uzależnionym od założonej wielkości energii chemicznej wsadu oraz od nastawienia kąta nachylenia łopat w danym mineralizatorze tak, że dla mineralizatora o większym kącie nachylenia łopat dobiera się mieszankę o większej kaloryczności niż kaloryczność mieszanki dla mineralizatora o mniejszym kącie nachylenia łopat.

Przedmiotem wynalazku jest również układ do termicznego przekształcania odpadów charakteryzujący się tym, że zawiera przeznaczony do przetwarzania odpadów mineralizator w postaci zasadniczo poziomej, obrotowej rury z rozmieszczonymi wewnątrz niej stałymi i/lub regulowanymi elementami do przesypywania materiału w trakcie obrotu rury, w którym to mineralizatorze następuje ciągły proces zgazowania wsadu i przetworzenie wsadu na gorący gaz poreakcyjny oraz odpad nieorganiczny. Układ zawiera ponadto analizator zawartości tlenku węgla (CO) i wodoru (H2) w gazie poreakcyjnym i temperatury gazu poreakcyjnego. Mineralizator jest wyposażony w regulowany dopływ czynnika zgazowującego doprowadzanego do mineralizatora. Gaz poreakcyjny jest doprowadzany do instalacji katalitycznego oczyszczania gazu wyposażonej w reaktor katalityczny do utleniania gazu, a oczyszczony gaz jest doprowadzany do instalacji wytwarzania energii elektrycznej i/lub ciepła.

Korzystnie, obrotowy mineralizator jest wyposażony w łopaty w strefie mineralizacji o nastawnym i/lub stałym kącie nachylenia względem osi wzdłużnej rury mineralizatora.

Korzystnie, układ zawiera co najmniej dwa mineralizatory.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym

Fig. 1 przedstawia schemat linii technologicznej,

Fig. 2 przedstawia schematycznie przekrój podłużny przykładowego mineralizatora,

Fig. 3A-3E przedstawiają schematycznie przekroje poprzeczne przykładowego mineralizatora,

Fig. 4 przedstawia schematycznie przykładowy mineralizator w widoku z ukosa,

Fig. 5 przedstawia przykładową tabelę odpadów.

Opisywana instalacja jest zdolna przekształcać termicznie wszelkiego rodzaju odpady o charakterze organicznym bez względu na ich stan skupienia, a w szczególności:

Rodzaj odpadu	KOD odpadu
Odpady ulegające biodegradacji (101)	20 02 01
Niesegregowane (zmieszane) odpady komunalne (102)	20 03 01
Odpady palne (paliwo alternatywne) (103)	19 12 10
Inne odpady (w tym zmieszane substancje i przedmioty) z mechanicznej obróbki odpadów inne niż wymienione w 19 12 11 (104)	19 12 12
Ustabilizowane komunalne osady ściekowe (105)	19 08 05
Odpady niebezpieczne płynne (106)	Różne kody
Odpady stałe niebezpieczne stałe (107)	Różne kody
Odpady inne niż niebezpieczne, w tym	Różne kody
Zużyte opony (108)	16 01 03
Zużyty sprzęt elektryczny i elektroniczny (109)	20 01 36

Kod odpadu określono zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Środowiska z dnia 27 września 2001 r. w sprawie katalogu odpadów (Dz. U. 112 z 2001 poz. 1206).

Podstawowym produktem w całym procesie jest energia elektryczna i/lub ciepło. Proces według wynalazku umożliwia ich uzyskanie w efektywny sposób dzięki przetworzeniu odpadów w zasadniczo poziomej rurze, zwanej mineralizatorem lub zgazowarką, na gaz poreakcyjny o odpowiednich parametrach, który jest następnie utleniany w instalacji oczyszczania katalitycznego, gdzie pod wpływem utlenienia zwiększa się jego temperatura. Oczyszczony gaz w wymienniku ciepła 146 może podgrzać wodę do postaci pary wodnej lub powietrza, które po podaniu na jednostkę wytwórczą prądu elektrycznego 147 spowoduje zamianę energii gorącego gazu w energię elektryczną. Oczywiście gaz po wyjściu z wymiennika musi być odpowiednio oczyszczony i schłodzony aby móc go bez uszczerbku dla środowiska wyemitować do atmosfery. Aby to było możliwe należy odpowiednio kontrolować proces mineralizacji (zgazowania) odpadów. Całość procesu można podzielić na kilka etapów i faz: opcjonalną fazę

PL 231 914 B1 wstępną, obejmującą dostarczenie odpadów lub ich mieszanek, mineralizacja, oczyszczanie gazów procesowych, wymiana ciepła i produkcja energii elektrycznej i/lub ciepła, emisja.

Do instalacji mogą być podawane różnego rodzaju przygotowane odpady 101, 102 lub ich mieszanki, tak aby jeden wsad zawierał odpady o możliwie stałej charakterystyce (kaloryczność i wilgotność).

Mineralizacja

Proces mineralizacji (zgazowania) odbywa się w specjalnie do tego przygotowanej rurze zwanej mineralizatorem 139. Opcjonalnie, stosować można wiele mineralizatorów, co jest korzystne zwłaszcza w przypadku przetwarzania odpadów różnego rodzaju. Korzystnie, rura 139 jest nachylona do podłoża pod niewielkim kątem, około 1 stopnia. Mineralizator 139 wyposażony może być w mieszalnik 136 i dozownik do mineralizatora. W mieszalniku 136 odbywa się przygotowanie mieszanki odpadów 101, 102 o ustalonych wcześniej parametrach takich jak: średnia wartość kaloryczna oraz wilgotność. Z mieszalnika 136 przygotowany wsad podawany jest do mineralizatorów dozownika mineralizatora, którego rolą jest zapewnienie ciągłej dostawy wsadu do mineralizatora. Mineralizator 139 obraca się podczas pracy z niewielką prędkością obrotową, około 1 obr/min. Nachylenie oraz prędkość obrotowa pozwalają odpadom przemieszczać się w trakcie procesu. Znamiennym jest, że w środku mineralizatora 139, którego przykładowa konstrukcja została przedstawiona na Fig. 2-4, zainstalowane są elementy do przesypywania materiału w trakcie obrotu rury. Korzystnie, są to wewnętrzne konstrukcje stalowe, przykładowo specjalne łopaty (kierownice), które dzięki stosownemu kątowi pochylenia, korzystnie regulowanemu, powodują szybsze bądź wolniejsze przemieszczanie się odpadów w mineralizatorze. Pozwala to optymalizować przebieg procesu mineralizacji (zgazowania). Dzięki zainstalowaniu łopat o regulowanym kącie nachylenia, możliwe jest nastawienie mineralizatora na przetwarzanie odpadów 101,102 określonego typu, co pozwala bardziej optymalnie dobierać skład mieszanki odpadów 101, 102. Ze względu na to, że mineralizator ma nastawną konfigurację, to jeśli zmienia się strumień dopływu odpadów, można również dostrajać pracę mineralizatora do aktualnej zawartości i kaloryczności strumienia odpadów. Przy wykorzystaniu kilku mineralizatorów, pracę jednego z nich można chwilowo wstrzymać w celu zmiany jego konfiguracji, nie przerywając procesu przetwarzania odpadów w innych mineralizatorach, co jest szczególnie korzystne przy przetwarzaniu odpadów takiego typu, które muszą ulec szybkiemu przetworzeniu lub odpadów, które dopływają do instalacji w ilości przekraczającej zasobność zbiorników do magazynowania odpadów.

Tabela przedstawiona na Fig. 5 pokazuje rodzaje odpadów, ich wartość kaloryczną zmierzoną na wejściu do systemu oraz ilości i wartość kaloryczną po procesie przygotowania do mineralizacji. Dodatkowo przedstawiono cztery rodzaje przykładowych mieszanek.

Podstawowym założeniem przygotowywania mieszanek jest otrzymanie dla każdej z nich założonej wielkości energii chemicznej i wilgotności wsadu.

Przedstawione na Fig. 5 parametry dla różnych rodzajów odpadów, ich kaloryczności oraz przykładowe mieszanki są tylko przykładami obrazującymi sposób przygotowywania poszczególnych mieszanek, które mogą być przetwarzane w instalacji według wynalazku.

Konstrukcja i sposób działania przykładowego mineralizatora zostały omówione w nawiązaniu do Fig. 2-4, gdzie Fig. 2 przedstawia schematycznie przekrój podłużny mineralizatora, Fig. 3A-3E przedstawiają schematycznie przekroje poprzeczne mineralizatora wzdłuż linii odpowiednio A-A, B-B, C-C, D-D, E-E z Fig. 2, Fig. 3F przedstawia schematycznie przekroje poprzeczne poszczególnych łopat, a Fig. 4 przedstawia schematycznie mineralizator w widoku z ukosa przy dużym nachyleniu.

Mineralizator ma postać zasadniczo poziomej obrotowej rury z wewnętrzną konstrukcją stalową, korzystnie nastawną, która może być odpowiednio dostosowana do wilgotności i kaloryczności mieszanki dostarczanej do danego mineralizatora.

Mineralizator jest stalową rurą 200 wykonaną z odpornej na wysoką temperaturę blachy i jest pochylony do podłoża pod kątem około 1°. Mineralizator spoczywa na bieżniach i jest obracany wokół swej wzdłużnej osi symetrii. Obrót rury powoduje przemieszczanie się odpadu na łopatach 201-211, patrząc w przekroju poprzecznym rury, w górę i jego opadanie z wysokości uzależnionej od kształtu danej łopaty. Nachylenie rury powoduje, że materiał powoli przemieszcza się w kierunku wzdłużnym rury.

W przykładowym mineralizatorze, czas przejścia materiału przez całą rurę o średnicy około 2 metrów i długości około 20 metrów wynosi od około 30 do 60 minut, w zależności od nastawionych parametrów pracy mineralizatora. Prędkość obrotowa wynosi około 1 obrót/minutę.

PL 231 914 B1

Mineralizator jest ogrzewany następująco: po włączeniu palników gazowych, zasilanych np. gazem ziemnym czy olejem napędowym następuje nagrzanie rury do zadanej temperatury, tj. do około 600°C a następnie palniki są wyłączane i proces przebiega samoczynnie, w wyniku czego cały odpad organiczny ulega zgazowaniu.

Wsad może być podawany do mineralizatora za pośrednictwem różnego rodzaju urządzeń, przykładowo przenośnikiem, a inertny odpad jest odbierany na końcu mineralizatora i schładzany do temperatury umożliwiającej dalszy transport. Prędkość obrotowa mineralizatora może być regulowana.

W rurze wyodrębnione są trzy strefy: strefa odparowywania 220, w której następuje odparowanie wilgoci, strefa mineralizacji 230, w której następuje właściwy proces zgazowania i przetworzenie odpadów w gaz oraz odpad nieorganiczny, strefa końcowa 240, w której nie ma już odpadu organicznego tylko gaz i w której następuje odbiór niezmineralizowanych odpadów.

W pierwszej części strefy odparowania 220, przedstawionej w przekroju na Fig. 3A, przykładowe łopaty 201 mają kształt płaskich blach przeznaczonych do wstępnego przemieszania materiału wsadowego. Druga część strefy odparowania 220, przedstawiona w przekroju na Fig. 3B, zawiera przykładowo trzy pierścienie naprzemiennie ułożonych w każdym pierścieniu łopat 202, 203, 204 w kształcie korytek o różnej głębokości, z których materiał w trakcie obrotu rury 200 przesypuje się.

W strefie mineralizacji 230 znajduje się szereg pierścieni łopat, przy czym w każdym pierścieniu znajdują się naprzemiennie łopaty 211 o stałym kącie nachylenia i łopaty 205-210 o regulowanym kącie nachylenia. Łopaty 211 są ustawione równolegle do wzdłużnej osi symetrii rury 200, a więc ich kąt nachylenia względem poziomu jest równy kątowi nachylenia rury 200. Łopaty te stanowią zarówno środek do przemieszczania materiału wsadowego wewnątrz rury, jak też i usztywnienie konstrukcji rury 200. Łopaty 205-210 mogą mieć nastawny i/lub regulowany kąt nachylenia względem wzdłużnej osi symetrii rury 200, korzystnie w zakresie od -1% do +7,5%. Nastawienie kąta nachylenia łopat 205-210 na ujemny spowoduje spowolnienie przesuwu materiału wzdłuż rury. W szczególności, nastawienie kąta nachylenia łopat 205-210 na kąt przeciwny do kierunku nachylenia rury spowoduje, że materiał na łopatach 205-210 nie będzie przesuwał się w kierunku wylotu rury i będzie przesuwany jedynie na łopatach 211. Nastawienie kąta nachylenia łopat 205-210 na kąt zerowy spowoduje, że materiał na łopatach 211 i 205-210 będzie się przesuwał z taką samą prędkością. Z kolei nastawienie kąta nachylenia łopat 205-210 na kąt dodatni spowoduje, że materiał na łopatach 205-210 będzie się przesuwał szybciej niż na łopatach 211. Regulacja kąta nachylenia łopat 205-210 pozwala więc na regulację szybkości przesuwania się materiału wzdłuż strefy mineralizacji 230. Łopaty 205-210 w strefie mineralizacji mają kształt korytek, których głębokość maleje w kierunku ku wylotowi rury 200, ze względu na malejącą ilość materiału, który pozostaje do mineralizacji w kierunku ku wylotowi rury 200.

W strefie końcowej 240, do której doprowadzany jest czynnik zgazowujący, taki jak tlen, powietrze, para wodna, di tlenek wodoru, wodór lub ich mieszaniny, znajdują się łopatki 201 ustawione tak jak łopatki 201 w pierwszej części strefy odparowania 220, które pełnią rolę ograniczników dla ewentualnych pozostałości nie zmineralizowanego materiału.

Istotnym parametrem, który ma wpływ na właściwości gazu poreakcyjnego, jest ilość czynnika zgazowującego doprowadzanego do mineralizatora. Ilość czynnika zgazowującego dobiera się tak, aby uzyskać w gazie poreakcyjnym możliwie największą ilość tlenku węgla CO i wodoru H2 przy niewielkiej zawartości dwutlenku węgla CO2 i tak, aby temperatura gazu poreakcyjnego mieściła się w granicach 300-700°C. Parametry gazu poreakcyjnego mierzy się za pomocą analizatora 132, zawierającego czujniki składu gazu i czujniki temperatury.

Procesem mineralizacji w przestawionym mineralizatorze można sterować poprzez zmianę prędkości obrotowej rury 200 i/lub zmianę kąta nachylenia łopat 205-210. Poprzez zmianę prędkości obrotowej rury 200 zmienia się intensywność przesypywania się materiału w przekroju rury. Zwiększenie prędkości obrotowej mineralizatora pozwala na szybsze odparowanie materiału w strefie 220, a więc większa prędkość obrotowa powinna być nastawiana dla materiałów o mniejszej wilgotności. Poprzez zmianę kąta nachylenia łopat 205-210 zmienia się prędkość przejścia materiału przez strefę mineralizacji 230. Zwiększenie kąta nachylenia łopat 205-210 pozwala na szybsze przejście materiału przez strefę 230, a więc powinno być stosowane dla materiałów o wyższej kaloryczności, które ulegają szybszej mineralizacji.

W celu efektywnego przetwarzania szerokiej gamy odpadów, stosować można wiele mineralizatorów, z których każdy może mieć nastawiony inny kąt nachylenia łopat 205-210 strefy mineralizacji. Wówczas, za pomocą mieszalników 136 dobiera się taką mieszankę wsadową do danego mineralizatora, która zostanie w nim optymalnie przetworzona. Przykładowo, jeśli pierwszy mineralizator będzie

PL 231 914 B1 miał nastawiony kąt nachylenia łopat mniejszy od kąta nastawionego dla drugiego mineralizatora, to jako wsad dla pierwszego mineralizatora powinna zostać dobrana Mieszanka II z Fig. 5, a jako wsad do drugiego mineralizatora powinna zostać dobrana mieszanka IV z Fig. 5. Dla każdej z mieszanek podawanych do mineralizatorów oblicza się na podstawie danych z analizatora 131 ich średnią wilgotność i na podstawie informacji o wilgotności dostosowuje się prędkość obrotową rury.

Czyszczenie gazów procesowych

W mineralizatorze następuje proces przetwarzania mieszanki odpadów na wysokoenergetyczny gaz poreakcyjny, który jest następnie podawany do filtrów wysokotemperaturowych 142 i dopalacza katalityczno-utleniającego 143 oraz wtórnego 144, w których ulega w układzie wielokatalitycznym pełnemu utlenieniu do H2O i CO2 z wydzieleniem dużej ilości ciepła poreakcyjnego, którego część jest zawracana do podtrzymania procesu, a głównie do odparowania wody. Równolegle do tego procesu można dozować na złoże katalizatora utleniającego odpad niebezpieczny ciekły 106, który podwyższa wartość energetyczną procesu.

Dzięki optymalizacji ilości czynnika zgazowującego doprowadzanego do mineralizatora, gaz poreakcyjny ma znikomą zawartość H2O i CO2, a tym samym w reakcji utleniania absorbuje dużą ilość tlenu, co prowadzi do znacznego wzrostu jego temperatury.

W reaktorze DeNOx 145 następuje reakcja redukcji tlenków azotu do N2, jeśli takowe istniały w odpadach. Następnie gaz przechodzi na wymiennik ciepła 146, gdzie następuje wymiana ciepła z wodą. Płuczka alkaliczna 148 włączana jest, gdy w przetwarzanych odpadach zawarte są chlorowce lub związki siarki i służy do ich wypłukania. Gaz po płuczce alkalicznej może być kierowany na wymiennik ciepła 149, w którym oddaje ciepło do wody przepuszczanej przez wymiennik, która może być przykładowo odprowadzana do miejskiego systemu grzewczego, suszarni lub innych urządzeń odbierających ciepło. Następnie schłodzony gaz jest poprzez adsorber 150 kierowany do atmosfery, już jako praktycznie czysty gaz obojętny dla środowiska, a jego czystość będzie monitorowana za pomocą systemu monitoringu 151. Oczywiście w przypadku zainstalowania kilku mineralizatorów można stosować oddzielne ciągi doczyszczające dla poszczególnych mineralizatorów lub dla grup mineralizatorów przetwarzających odpady podobnego typu.

Produkcja energii elektrycznej i/lub ciepła

Po reaktorze DeNOx 145 wstępnie oczyszczony gaz jest kierowany na wymiennik ciepła 146, gdzie w procesie wymiany ciepła pomiędzy gazem pochodzącym z procesu mineralizacji z powietrzem lub wodą doprowadzaną do wymiennika powstaje powietrze o wysokim ciśnieniu i temperaturze lub gorąca o dużym ciśnieniu para wodna, kierowane do jednostki wytwórczej energii elektrycznej i/lub ciepła 147, w której wytwarzana jest energia elektryczna i/lub ciepło. W zależności od ilości linii mineralizacji można zabudować określoną ilość turbin 147 i/lub ślimaków zapewniających moc elektryczną wynikającą z kaloryczności odpadów oraz ze składu gazu.

Claims (8)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób termicznego przekształcania odpadów, znamienny tym, że odpady (101, 102) przetwarza się w mineralizatorze (139) w postaci zasadniczo poziomej, obrotowej rury z rozmieszczonymi wewnątrz niej stałymi i/lub nastawnymi elementami (205-210) do przesypywania materiału w trakcie obrotu rury, w którym to mineralizatorze (139) następuje ciągły proces zgazowania wsadu i przetworzenie wsadu na gorący gaz poreakcyjny oraz odpad nieorganiczny, przy czym

   - w trakcie procesu mineralizacji monitoruje się zawartość tlenku węgla (CO) i wodoru (H2) w gazie poreakcyjnym i nastawia się ilość czynnika zgazowującego doprowadzanego do mineralizatora (139) tak, aby maksymalizować zawartość tlenku węgla (CO) i wodoru (H2) w gazie poreakcyjnym i utrzymywać temperaturę gazu poreakcyjnego w zakresie od 300°C do 700°C,

   - po czym gaz poreakcyjny doprowadza się do instalacji katalitycznego oczyszczania gazu, w której do gazu poreakcyjnego w reaktorze katalitycznym (143) doprowadza się tlen,

   - po czym oczyszczony gaz doprowadza się do instalacji (146, 147) wytwarzania energii elektrycznej i/lub ciepła.

   PL 231 914 B1
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako czynnik zgazowujący stosuje się tlen, powietrze, parę wodną, ditlenek wodoru, wodór lub ich mieszaniny.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że

   - dla przeznaczonych do utylizacji termicznej odpadów (101, 102) przeprowadza się za pomocą analizatora (131) cykliczne pomiary kaloryczności i/lub wilgotności,

   - po czym nastawia się prędkość obrotową mineralizatora w zależności od kaloryczności i/lub wilgotności odpadów podawanych do mineralizatora.
4. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że

   - stosuje się obrotowy mineralizator (139) z łopatami (205-210) w strefie mineralizacji (230) o nastawnym i/lub stałym kącie nachylenia względem osi wzdłużnej rury (200) mineralizatora, tak że dla większych kątów nachylenia łopat (205-210) w trakcie pracy mineralizatora wsad przechodzi szybciej przez strefę mineralizacji (230) niż dla mniejszych kątów nachylenia łopat (205-210),

   - dla przeznaczonych do utylizacji termicznej odpadów (101, 102) przeprowadza się za pomocą analizatora (131) cykliczne pomiary kaloryczności i/lub wilgotności,

   - nastawia się kąt nachylenia łopat (205-210) w zależności od kaloryczności i/lub wilgotności odpadów podawanych do mineralizatora.
5. 5. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że stosuje się wiele mineralizatorów (139) z przyporządkowanymi im mieszalnikami (136),

   - i za pomocą przyporządkowanych do mineralizatorów (139) mieszalników (136) miesza się ze sobą odpady w stosunku uzależnionym od założonej wielkości energii chemicznej wsadu oraz od nastawienia kąta nachylenia łopat (205-210) w danym mineralizatorze (139) tak, że dla mineralizatora (139) o większym kącie nachylenia łopat (205-210) dobiera się mieszankę o większej kaloryczności niż kaloryczność mieszanki dla mineralizatora (139) o mniejszym kącie nachylenia łopat (205-210).
6. 6. Układ do termicznego przekształcania odpadów, znamienny tym, że zawiera przeznaczony do przetwarzania odpadów (101, 102) mineralizator (139) w postaci zasadniczo poziomej, obrotowej rury z rozmieszczonymi wewnątrz niej stałymi i/lub regulowanymi elementami (205-210) do przesypywania materiału w trakcie obrotu rury, w którym to mineralizatorze (139) następuje ciągły proces zgazowania wsadu i przetworzenie wsadu na gorący gaz poreakcyjny oraz odpad nieorganiczny, przy czym układ zawiera ponadto

   - analizator (132) zawartości tlenku węgla (CO) i wodoru (H2) w gazie poreakcyjnym i temperatury gazu poreakcyjnego,

   - a mineralizator (139) jest wyposażony w regulowany dopływ czynnika zgazowującego doprowadzanego do mineralizatora (139),

   - przy czym gaz poreakcyjny jest doprowadzany do instalacji katalitycznego oczyszczania gazu wyposażonej w reaktor katalityczny (143) do utleniania gazu,

   - a oczyszczony gaz jest doprowadzany do instalacji (147) wytwarzania energii elektrycznej i/lub ciepła.
7. 7. Układ według zastrz. 6, znamienny tym, że obrotowy mineralizator (139) jest wyposażony w łopaty (205-210) w strefie mineralizacji (230) o nastawnym i/lub stałym kącie nachylenia względem osi wzdłużnej rury (200) mineralizatora.
8. 8. Układ według zastrz. 6, znamienny tym, że zawiera co najmniej dwa mineralizatory (139).