Biomasa i odpady jako źródło energii.pdf

POLITYKA ENERGETYCZNA

Tom 9 Zeszyt specjalny 2006

PL ISSN 1429-6675

Grzegorz C ZARNY *

Biomasa i odpady jako Ÿród³o energii.

Kraking katalityczny

S TRESZCZENIE . Wykorzystanie odpadów przemys³owych i komunalnych w przemyœle cemento-

wym, energetyce zawodowej oraz w ciep³owniach komunalnych nale¿y potraktowaæ z na-

le¿yt¹ powag¹. Iloœæ odpadów sk³adowanych na wysypiskach œmieci jest ogromna. Proces

biodegradacji w zale¿noœci od odpadu to od kilku lat do kilku stuleci. W obrêbie du¿ych

aglomeracji miejskich brakuje terenów na sk³adowiska œmieci. W referacie skrótowo przed-

stawiono mo¿liwoœci wykorzystania odpadów.

S £OWA KLUCZOWE : biomasa, odpady, kraking katalityczny

Zasoby odpadów przemys³owych i komunalnych na ju¿ istniej¹cych wysypiskach œmieci

to ogromne iloœci tzw. paliwa alternatywnego o stosunkowo dobrej wartoœci opa³owej,

niskiej zawartoœci popio³u i siarki. W przypadku prowadzenia bie¿¹cej segregacji dostar-

czanych odpadów dla celów utylizacji termicznej, krakingu katalitycznego mo¿na równie¿

osi¹gn¹æ zadowalaj¹ce parametry wilgoci. Aby jednak w sposób wybiórczy omówiæ mo¿-

liwoœci wykorzystania odpadów jako paliwa alternatywnego z uwzglêdnieniem aspektów

ekonomicznych nawi¹¿ê najpierw do biomasy.

* Mgr — Wektor Sp. z o.o., Chorzów; e-mail: czarny@op.pl

Recenzent: prof. dr hab. in¿. Wies³aw B LASCHKE

487

1. Jedna z definicji biomasy precyzuje:

„Biomasa to ca³a istniej¹ca na Ziemi materia organiczna, wszystkie substancje po-

chodzenia roœlinnego lub zwierzêcego ulegaj¹ce biodegradacji . Biomas¹ s¹ resztki z pro-

dukcji rolnej, pozosta³oœci z leœnictwa, odpady przemys³owe i komunalne” [1].

Zacytowana definicja biomasy to przyczynek, aby przeanalizowaæ mo¿liwoœci wyko-

rzystania biomasy, a w szczególnoœci te jej formy, które s¹ celem, a nie efektem ubocznym

produkcji dla potrzeb energetyki (np.: wierzba wiciowa, rdest czy trzcina pospolita).

Wiadomo, i¿ energetyka zawodowa w Polsce oparta jest na wêglu kamiennym i bru-

natnym. Niestety prowadzona od 1990 roku restrukturyzacja górnictwa nie przynosi spo-

dziewanych efektów (co opisa³em w artykule miesiêcznika poœwiêconego zagadnieniom

techniki — Czasopismo Techniczne nr 114—115; styczeñ—grudzieñ 2005, Kraków)

i pomimo praktycznie dostosowywania przez górnictwo cen wêgla do akceptowanych przez

energetykê, jest niedosyt cenowy tego surowca zarówno w energetyce jak i ciep³ownictwie.

Z drugiej strony — sytuacja finansowa najwiêkszego nie tylko w kraju, ale i w Europie

producenta wêgla kamiennego — Kompanii Wêglowej w Katowicach jest tragiczna.

Energetyka zawodowa, ciep³ownictwo, przemys³ cementowy chc¹c produkowaæ po ce-

nach konkurencyjnych na rynku otwartym, a bêd¹c w ogromnej czêœci w posiadaniu kapita³u

prywatnego, rozpoczê³y dywersyfikacjê paliw. W krêgu zainteresowañ znalaz³a siê biomasa

i odpady przemys³owe oraz komunalne.

Trudno jednak wymienionym wczeœniej podmiotom wi¹zaæ nadzieje na regularne

i przewidywalne cenowo dostawy biomasy „która jest celem a nie efektem ubocznym” jako

paliwa.

1.1. Producenci roœlin charakteryzuj¹cych siê du¿ym przyrostem rocznym i niewielkimi

wymaganiami glebowymi na dzieñ dzisiejszy dysponuj¹ bardzo ograniczonym area³em, nie

posiadaj¹ profesjonalnych sk³adów magazynowych ani mo¿liwoœci przerobu technolo-

gicznego roœlin. Przy bardzo zmiennych warunkach pogodowych w ostatnich latach, pro-

dukty roœlinne charakteryzuje du¿a zmiennoœæ wartoœci opa³owej i wilgoci.

Dodatkowym utrudnieniem dla odbiorców tego typu biomasy jest logistyka transportu —

bardzo wysoki koszt, a to ze wzglêdu miêdzy innymi na:

a) brak ³adunków powrotnych,

b) ma³a gêstoœæ nasypowa biomasy,

c) zmiennoœæ kierunków odbioru biomasy.

Tak wiêc dla odbiorców spalaj¹cych jako podstawowy surowiec wêgiel kamienny ten typ

biomasy nie stanowi (w mej ocenie) perspektywicznego paliwa.

Natomiast w kot³owniach lokalnych (o ma³ej wydajnoœci np. poni¿ej 0,5 MW), zapro-

jektowanych a nie dostosowywanych na spalanie biomasy — najlepiej w miejscu upraw —

ten typ biomasy ma niew¹tpliwie szereg zalet. Jako paliwo jest ma³o szkodliwe dla œrodo-

wiska: iloœæ dwutlenku wêgla emitowanego do atmosfery podczas spalania równowa¿ona

jest iloœci¹ CO 2 poch³anianego przez roœliny, które odtwarzaj¹ biomasê w procesie fotosyn-

tezy. Wykorzystanie biomasy pozwala zagospodarowaæ nieu¿ytki i spo¿ytkowaæ odpady.

1.2. Jakie s¹ jednak mo¿liwoœci uzyskania wymiernych efektów ekonomicznych w ener-

getyce, ciep³ownictwie, przemyœle cementowym po wprowadzeniu paliwa nazwanego

„odpadem komunalnym i przemys³owym”?

488

Zgodnie z unijn¹ klasyfikacja odpadów mo¿na jako pierwsze kryterium podzia³u przyj¹æ

szkodliwoœæ lub inaczej „kryterium bezpieczeñstwa” odpadów. Istnieje bowiem podzia³ na

odpady niebezpieczne i inne ni¿ niebezpieczne.

Dodatkowo dokonano podzia³u odpadów ujêtych na tzw. listach zielonych, ¿ó³tych

i czerwonych — (dla potrzeb transgranicznego przemieszczania).

Do czego s³u¿¹ te podzia³y?

Podzia³ na odpady niebezpieczne i inne ni¿ niebezpieczne uœciœli³ rodzaj odpadu (ich

pochodzenie), przyporz¹dkowa³ poprzez nadanie numeru kodu odpadu do okreœlonych grup

oraz zakwalifikowa³ w³aœnie do odpadów niebezpiecznych lub innych ni¿ niebezpieczne.

Przemieszczanie odpadów zgodnie z rozporz¹dzeniem nr 259/93 Rady Europejskiej

o transporcie odpadów na terenie Unii Europejskiej okreœli³o, które odpady wymagaj¹

okreœlonych zezwoleñ zgodnie z kolorami list, na których je ujêto.

Te podzia³y sta³y siê jednoczeœnie podstaw¹ do wypracowania „cennika” w przypadku

termicznej utylizacji odpadów. Cenotwórcze sta³y siê: kalorycznoœæ, zawartoœæ chloru oraz

umieszczenie w danym kolorze listy przewozowej.

Kalorycznoœæ jako jedyny wyk³adnik ceny stosowany w górnictwie wêgla kamiennego

w Polsce zawiera te same przedzia³y co odpady. Je¿eli jednak w wêglach typowo ener-

getycznych typu 31—32 przedzia³y s¹ najczêœciej w granicach od 17—27 MJ/kg, tak

w przypadku odpadów przedzia³y stosowane s¹ od 16—35 MJ/kg i powy¿ej.

W górnictwie cennik w zale¿noœci od kalorycznoœci i rodzaju odbiorcy docelowego

okreœla poziom cenowy dla 1 GJ — œrednio oko³o 7,10 z³/netto za 1 GJ. Tyle zap³aci odbiorca.

W odpadach w zale¿noœci od kalorycznoœci — poddaj¹cy odpady utylizacji termicznej

otrzyma œrednio od 50—60 Euro za tonê. Przy uœrednionej kalorycznoœci dla odpadów na

poziomie 22 MJ/kg spalaj¹cy odpady otrzyma 10 z³/1 GJ. Tak siê dzieje na dzieñ dzisiejszy

w Austrii czy Niemczech. Umo¿liwienie utylizacji termicznej odpadów w energetyce zawo-

dowej, ciep³ownictwie czy te¿ w przemyœle cementowym poprzez odpowiedni¹ politykê

dotycz¹c¹ odpadów daje efekty ekonomiczne widoczne go³ym okiem.

Co zatem stoi na przeszkodzie aby w wiêkszym ni¿ do tej pory stopniu wykorzystywaæ

odpady jako surowiec bêd¹cy paliwem?

1.3. Podstawowym problemem na dzieñ dzisiejszy jest iloœæ uregulowañ prawnych, a co

siê z tym wi¹¿e koniecznoœæ pozyskiwania stosownych zezwoleñ na spalanie odpadów.

Dla zobrazowania problemu w formie za³¹cznika do referatu do³¹czy³em wydruk tytu³ów

obowi¹zuj¹cych aktów prawnych w tym zakresie (za³¹cznik).

Nastêpnym problemem jest interpretacja aktów prawnych w tzw. terenie. Rozbie¿noœæ

interpretacji aktów prawnych na ró¿nych szczeblach administracji pañstwowej jest

ogromna. Nie ma jednoznacznych wyk³adni.

1.4. Spalanie to egzotermiczna reakcja chemiczna, polegaj¹ca na utlenianiu palnych

sk³adników paliwa. ród³em tlenu potrzebnego do przebiegu reakcji z regu³y jest powietrze.

Zarówno powietrze, jak i paliwa doprowadzane do komory spalania nosz¹ nazwê substratów.

Koñcowym efektem spalania s¹: ciep³o i produkty, które mog¹ byæ sta³e, ciek³e i gazowe.

Dla przypomnienia:

Zerowa zasada termodynamiki mówi, ¿e jeœli dwa uk³ady s¹ w równowadze termody-

namicznej z trzecim uk³adem, to s¹ równie¿ w równowadze termodynamicznej miêdzy sob¹.

489

Pierwsza zasada termodynamiki mówi, ¿e ciep³o doprowadzone z zewn¹trz do uk³adu

zamkniêtego jest zu¿ywane na zwiêkszenie energii wewnêtrznej uk³adu U oraz na wyko-

nanie przez uk³ad pracy zewnêtrznej W.

Q = U + W (równanie w postaci skoñczonej)

Druga zasada termodynamiki mówi, ¿e procesy nieodwracalne zachodz¹ce w uk³adzie

termodynamicznym mog¹ tylko zwiêkszaæ energiê tego uk³adu. Zmiana energii jest mo¿liwa

wskutek transportu entropii do lub z uk³adu do otoczenia — b¹dŸ wzrostu entropii wew-

nêtrznej (np. wskutek tarcia).Transport entropii mo¿e odbywaæ siê na skutek przep³ywu

ciep³a.

Powracaj¹c do spalania.

Mówimy o spalaniu ca³kowitym wówczas, gdy ulegn¹ utlenieniu wszystkie sta³e sk³adni-

ki paliwa, natomiast gdy czêœæ palnych sk³adników paliwa pozostaje w ¿u¿lu lub popiele —

wystêpuje spalanie nieca³kowite. Spalanie zupe³ne wystêpuje wtedy, gdy powstaj¹ ostatecz-

ne zwi¹zki niepalne, np.: CO 2 ,SO 2 ,H 2 O. W wyniku spalania niezupe³nego mog¹ w spa-

linach wyst¹piæ, oprócz zwi¹zków niepalnych, równie¿ zwi¹zki palne, np.: CO, H 2 ,CH 4.

W zale¿noœci od mechanizmu przenoszenia, wymiana ciep³a mo¿e byæ realizowana

poprzez:

konwekcjê,

promieniowanie termiczne.

W teorii spalania bardzo istotnym pojêciem jest ciep³o spalania [2—4]. Ciep³o spalania

jest to ciep³o otrzymane przy spalaniu ca³kowitym i zupe³nym paliwa przy sta³ym ciœnieniu,

przy czym produkty spalania zostaj¹ och³odzone do temperatury pocz¹tkowej substratów.

W praktycznych zastosowaniach istotne znaczenie ma wartoœæ opa³owa — (to iloœæ

wydzielonego ciep³a otrzymana przy spalaniu ca³kowitym i zupe³nym paliwa, w warunkach

standardowych — temperatura 298,15°K i ciœnienie 101,325 kPa — przy czym para wodna

powsta³a w czasie spalania nie ulega skropleniu unosz¹c ze sob¹ ciep³o parowania).

O energetycznym wykorzystaniu odpadów decyduje przede wszystkim ich wartoœæ

opa³owa która zale¿y od nastêpuj¹cych czynników: zawartoœci wilgoci, zawartoœci czêœci

lotnych, zawartoœci substancji mineralnej (popio³u).

Charakterystykê odpadów mo¿na zilustrowaæ za pomoc¹ trójk¹ta Tannera [5].

490

przewodzenie,

Wspó³rzêdne tego wykresu wyznaczaj¹: zawartoœæ czêœci palnych, czêœci mineralnych

i wilgoci. Na wykresie poszczególnym punktom paliwa s¹ przypisane wartoœci temperatury

spalania. Mo¿na wiêc wyznaczyæ zakres zmiennoœci temperatur dla spalania autonomicz-

nego. Odpady bêd¹ siê samodzielnie paliæ (nie jest wymagany dodatek surowców ener-

getycznych) wówczas, gdy zawartoœæ wilgoci bêdzie poni¿ej 50%, udzia³ czêœci palnych

(organicznych) bêdzie powy¿ej 25%, a zawartoœæ substancji mineralnej (popio³u) bêdzie

poni¿ej 60%. Zawartoœæ czêœci mineralnych i wilgoci w odpadach wp³ywaj¹ negatywnie na

proces spalania poprzez wykorzystanie czêœci ciep³a na odparowanie wilgoci i podgrzanie

popio³u.

Dla odpadów przyjmuje siê równie¿ — zamiast minimalnej temperatury spalania —

minimaln¹ wartoœæ opa³ow¹ dla której mo¿liwe jest zrealizowanie stabilnego spalania. Do

tej pory nie opracowano jednak jednoznacznych kryteriów dla odpadów stosowanych jako

paliwo alternatywne.

1.5. Odpady jako paliwo alternatywne to pojêcie dosyæ p³ynne. Teoretycznie paliwo

alternatywne mo¿e sk³adaæ siê z (do) 10 rodzajów odpadów, a wartoœæ opa³owa tej mie-

szanki musi byæ powy¿ej 16 MJ/kg. W praktyce paliwo alternatywne to mieszanka dwóch

lub trzech odpadów. Decyduje o tym mo¿liwoœæ podania odpadów na kocio³, granulacja

produktu, sposób utylizacji powsta³ych odpadów w procesie spalania itd.

2. Paliwa alternatywne w przemyœle cementowym dzielone s¹ ze wzglêdu na stan skupienia

[5—9].

I tak wyró¿niamy paliwa:

gazowe (gaz pizolityczny, biogaz itp.),

p³ynne (oleje zu¿yte, rozpuszczalniki itp.),

sta³e (opony, odpady drzewne, tworzywa sztuczne itp.).

Stosowany jest równie¿ podzia³ wprowadzony przez Cembureau, dziel¹cy paliwa alter-

natywne na 5 klas [10]:

p³ynne paliwa alternatywne: zu¿yte rozpuszczalniki o niskiej zawartoœci chloru, oleje

hydrauliczne, t³uszcze i oleje smarowe itp.,

proszkowane, granulowane lub pokruszone sta³e paliwa alternatywne: trociny itp.,

wstêpnie pokruszone sta³e paliwa alternatywne: ciête opony, odpady gumowo-plasti-

kowe, odpady drewna itp.,

bry³owe paliwa alternatywne: opony, bale plastikowe itp.

Sta³e paliwa alternatywne mo¿na podzieliæ z kolei na 4 grupy [11]:

grupa 1: suche paliwa o drobnych wymiarach, które siê nie klej¹, o wymiarze poni¿ej

2 mm, wilgotnoœæ oko³o 10—15% (np. py³ drzewny),

grupa 2: suche paliwa o du¿ych wymiarach, które siê nie klej¹, o wymiarze poni¿ej

20 mm, wilgotnoœæ oko³o 10—15% (np. odpady tworzyw sztucznych),

grupa 3: suche paliwa, które maj¹ tendencjê do klejenia, o wymiarze poni¿ej 20 mm,

wilgotnoœæ oko³o 10—15% (np. m¹czka kostna),

grupa 4: mieszaniny, o wymiarze poni¿ej 2 mm, wilgotnoœæ oko³o 10—15% (np. py³

drzewny).

491

gazowe paliwa alternatywne: gaz pizolityczny, biogaz itp.,

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: