W Skandynawii większość ciepła w miastach i miasteczkach pochodzi z odpadów wytarzanych lokalnie. W wielu krajach odpady traktowane są jako preferowany surowiec do produkcji energii.
Podstawowym celem tego typu inwestycji jest wykorzystanie paliwa alternatywnego o kodzie odpadu 19 12 10 jako paliwa dla instalacji zgazowującej służącej do produkcji ciepła przy jednoczesnym efektywnym sposobie zagospodarowania odpadu. Zastosowanie zgazowarki modułowej o mocy 5MWth pozwoli zastąpić ok. 7% mocy cieplnej (zarazem całkowitą moc cieplną wykorzystywaną w okresie letnim – w przypadku miasta o wielkości ok. 45 000 mieszkańców), otrzymywanej obecnie przez spalanie węgla kamiennego, ciepłem uzyskiwanym dzięki technologii zgazowania. Zastosowanie takiego rozwiązania umożliwia znaczące obniżenie emisji zanieczyszczeń (w stosunku do spalenia tej samej ilości węgla w tradycyjnych kotłach węglowych) oraz zapewnia efektywną metodę zagospodarowania paliwa alternatywnego o kodzie odpadu 19 12 10. Zgazowując uzyskujemy możliwość znaczącego obniżenia ilości popiołu w stosunku do tradycyjnego procesu spalania.
Technologia zgazowania zaproponowana składa się z dwóch podstawowych elementów:
- Komory zgazowania, w której usuwane są lotne substancje organiczne pod wpływem wysokiej temperatury i zamiana pozostałego węgla organicznego pod wpływem powietrza i pary wodnej na mieszaninę CO, CO2 oraz H2.
- Komory spalania gazu powstałego w komorze zgazowania w warunkach kontrolowanych. Powstały gaz zostaje spalony w komorze spalania, a gorące spaliny (ok. 850oC) przechodzą do kotła odzysknicowego gdzie ciepło jest odbierane od spalin i wykorzystywane do odgrzania wody. Wychłodzony gaz o temperaturze ok. 250oC zostaje skierowany do instalacji filtracyjnej gdzie następuje jego oczyszczenie do poziomu wymaganego przez odpowiednie przepisy. Poziom zanieczyszczeń w emitowanych spalinach będzie podlegał ciągłemu pomiarowi. Temperatura spalin wprowadzanych do komina będzie miała 403 [K].
W proponowanej instalacji paliwem będą odpady o kodzie 19 12 10 (odpady palne, zwane również zgodnie z rozporządzeniem paliwem alternatywnym).
Proces zgazowania
Proponowana instalacja oparta jest na procesie zgazowania. Zgazowanie to przemiana paliw stałych lub ciekłych w paliwo gazowe w wysokiej temperaturze. Polega na reakcji pierwiastka węgla zawartego w paliwach z doprowadzanymi do reagującego układu: tlenem (z powietrza), parą wodną, wodorem lub dwutlenkiem węgla. Zgazowaniu poddaje się różnorodne paliwa, np. węgiel kamienny, węgiel brunatny, torf, drewno, wszelką biomasę, odpady przemysłowe, odpady komunalne w różnej postaci, ciężkie pozostałości po destylacji ropy naftowej. Temperatura procesu zgazowania waha się w granicach od 400-850oC. Produktem procesu zgazowania jest gaz, którego głównymi składnikami palnymi są: metan, wodór, tlenek węgla. Po oczyszczeniu gaz przerabiany jest na substytut gazu ziemnego, gaz opałowy o średniej i małej wartości opałowej lub gaz syntezowy.
Urządzenie jest rozgrzewane wstępnie poprzez spalanie suchego drewna do temperatury ponad ok. 450oC. Po osiągnięciu temperatury rozruchowejrozpoczyna się periodyczne podawanie materiału do zgazowania. Materiał podawany jest do komory zgazowania dozownikiem typu pojemnościowego o konstrukcji szufladowej, zaopatrzonym w zasuwę odcinającą od strony podajnika i w system gaśniczy od strony zgazowarki. Zasyp paliwa następuje periodycznie w dawkach po ok. 50kg. Materiał po załadunku znajduje się w warstwie rozżarzonego poprzednio zadanego materiału i w temperaturze 450-650ºC następuje jego karbonizacja wraz z odparowaniem wody i odgazowaniem części lotnych. W zależności od materiału z około 0,7m3 materiału wsadowego dostajemy do 100 kg węgla organicznego. Węgiel ten osuwa się niżej w głąb komory gdzie wchodzi w obszar wysokich temperatur 800-1100 ºC i w tych temperaturach wchodzi z powietrzem w cykl reakcji:
W wyniku tych reakcji powstaje gaz palny będący mieszaniną gazu powietrznego i wodnego złożony głównie z CO, H2, N2 i CO2. Warunkiem efektywnego działania tego kierunku reakcji jest utrzymywanie niedomiaru powietrza przy zachowaniu ok. 850ºC w obszarze reakcji. Po procesie zgazowania pozostaje popiół, który opuszcza strefę reakcji i wystudza się w śluzie wodnej na dnie urządzenia. Popiół wydobywany jest automatycznie podajnikiem ślimakowym.
Parametry gazu powstałego w procesie zgazowania
Dla uzyskania mocy cieplnej 5 MW poddajemy zgazowaniu na godzinę 1000 kg odpadów o średniej wartości kalorycznej 20 MJ/kg. W procesie zgazowania otrzymujemy wtedy w pierwszym etapie 2500 m3 gazu na godzinę (0,7m3/s) o kaloryczności 8 MJ/m3 i typowym składzie:
Tabela 1. Skład wytworzonego gazu
Zastosowana komora spalania i niskoemisyjny palnik w instalacji do zgazowania o mocy 5 MW pracującej na odpadach drzewnych pozwala na redukcję CO i NOx do następujących wielkości (w przeliczeniu na 11% tlenu):
Tabela 2. Skład gazów spalinowych w zgazowarce
Przy zmianie paliwa, na mieszankę o składzie 83% zrębki, 17% paliwo alternatywne (odpad o kodzie 19 12 10) otrzymujemy następujące wyniki:
Tabela 3. Skład gazów spalinowych z paliwa o składzie: 83% zrębki, 17% paliwo alternatywne
W związku z tym spodziewamy się, że gaz wchodzący do układu oczyszczania spalin będzie miał zarówno niskie stężenia NOx i CO jak i relatywnie niskie stężenia pyłu, co pozwoli na obniżenie ilości odpadu powstałego w instalacji oczyszczania spalin.
Autor artykułu:
Karol Bajer - Ekspert w zakresie energetyki odnawialnej
