Odzysk energii a idea gospodarki o obiegu zamkniętym

Wyzwaniem dla rozwoju gospodarczego krajów na świecie jest deficyt energii i su-rowców oraz coraz wyższe koszty ich importu (pozyskania). GOZ to obszar wielokierun-kowych działań, który w gospodarce komunalnej wymaga wysokiej kultury segregacji

odpadów u źródła, następnie ich separacji i przygotowania do recyklingu i odzysku ma-teriałowego, a dla tych odpadów, których nie można poddać procesom recyklingu – prze-tworzenia bezpośrednio w energię. Należy zwrócić szczególną uwagę na proces ostatecz-nego odzysku energetyczostatecz-nego, który powinien być stosowany, gdy inne sposoby odzysku są niemożliwe do zastosowania (w ostateczności). W Polsce do produkcji energii elek-trycznej używa się głównie metody spalania węgla (przy emisji do atmosfery 0,58 kg CO₂/kWh) lub spalania gazu. Obecnie dążąc do maksymalnej dywersyfikacji źródeł ener-gii, przez co w pewnym stopniu można uniezależnić się od dostaw paliw naturalnych, na-leży w maksymalny sposób realizować odzysk surowców energetycznych pochodzących z odpadów. Można to m.in. uzyskać np. z fermentacji w biogazowniach, produkcji biopa-liw (estry olejów roślinnych, alkoholu), pabiopa-liw alternatywnych wytwarzanych w procesach rozkładów termicznych odpadów (olej, gaz, karbonizat) z wyeksploatowanych opon sa-mochodowych oraz odpadów tworzyw sztucznych, w szczególności opakowań. Alterna-tywne paliwa z przekształconych odpadów (różne rodzaje paliwa wytworzone z innych niż niebezpieczne), w tym poeksploatacyjne oleje odpadowe (mineralne i syntetyczne), tłuszcze i oleje spożywcze, uboczne tłuszczowe produkty zwierzęce, osady ściekowe, od-padowe rozpuszczalniki, biodiesel, etanol, koncentraty z procesów przemysłowych (np.

destylacji, separacji membranowej, wirowania, itp.), z procesów beztlenowego rozkładu termicznego tworzyw sztucznych, gumy, drewna, celulozy, tekstyliów, inne bioodpady, mogą znaleźć zastosowanie jako paliwa w agregatach prądotwórczych średniej i dużej mocy w ramach dywersyfikacji źródeł energii.

Szczególnie często wykorzystywane jest zużyte ogumienie oraz tworzywa sztuczne jako paliwo w procesach energetycznych. Spalanie zużytych opon i polimerów w cemen-towniach oraz w ciepłowniach jest najprostszą metodą ich wykorzystania energetycznego.

Efektywne zagospodarowanie odpadów z elastomerów i polimerów, a szczególnie opon sa-mochodowych jest sprawą priorytetową dla cywilizacji, gdyż odpady te stanowią duże za-grożenie dla środowiska. Szacuje się, iż każdego roku powstaje na świecie około 1 mld Mg zużytych opon samochodowych. Taka ilość odpadów stanowi poważne zagrożenie dla środowiska. Rozwiązaniem problemu może być proces recyklingu i odzysk materiałowy, w szczególności metodą beztlenowego rozkładu termicznego (proces depolimeryzacji).

Na rysunku 2 przedstawiono schematycznie systematykę metod termicznego przetwarza-nia odpadów poprodukcyjnych i poeksploatacyjnych, w zależności od stosowanych tem-peratur procesu. W górnej ramce wymieniono odpady, które mogą zostać wykorzystane do produkcji paliw w procesie rozkładu termicznego metodą termolizy – najbardziej uza-sadnionego ekonomicznie procesu.

Dobrym przykładem przyjaznej dla środowiska instalacji do rozkładu termicznego metodą termolizy w zakresie temperatur 340–480°C jest technologia opatentowana przez polską firmę WGW Green Energy Poland Sp. z o.o. Służy ona do odzysku energii i surow-ców ze zużytych całych opon samochodowych, jak również z innych wyrobów wykona-nych m.in. z gumy i tworzyw sztuczwykona-nych (uszczelki, pasy transmisyjne, odbojniki, części/

wyroby AGD, rekreacji i sportu, pojemników i akcesoriów spożywczych, obuwia, opa-kowań itd.), a także z innych odpadów organicznych poużytkowych i poprodukcyjnych w tym wieloskładnikowych np. opakowań typu tetrapak, okładzin dźwiękochłonnych, izolacji cieplnej, filtrów, etc. Proces termicznego rozkładu jest prowadzony w podgrzewa-nym pośrednio (przeponowo) poziomym reaktorze, z ruchomym złożem (0–0,5 obr/min).

Polega on na podgrzewaniu całych wyrobów odpadowych (np. opon) do temperatury bli-skiej 480°C bez dostępu powietrza (tlenu). W wyniku tego procesu następuje degradacja istniejących wiązań polimerowych, co powoduje tworzenie oparów olejowo-gazowych, kierowanych następnie do sekcji chłodzenia, destylacji, skraplania/sprężania i magazy-nowania frakcji ciekłych i frakcji gazowej. W reaktorze pozostaje frakcja stała, w któ-rej skład wchodzi karbonizat oraz złom metalowy lub/i ceramiczny. W procesie rozkładu termicznego opon samochodowych można uzyskać około 20–25% karbonizatu, 45–65%

oleju poprocesowego oraz 15–25% frakcji gazowej i 10–25% kordu stalowego. Brak produktów, których możliwość zagospodarowania jest wątpliwa, na przykład popiołów i szkliw, powstających w procesach spalania odpadów w spalarniach, w blokach energe-tycznych lub w piecach cementowych świadczy o efektywności opracowanej metody oraz o minimalnym oddziaływaniu procesów termolizy na środowisko. Najczęściej, a zarazem najbardziej pożądanym produktem rozkładu termicznego odpadów jest frakcja olejowa, która może być wykorzystana jako olej opałowy. Pozyskany gaz służy do podgrzewania reaktora w nowym procesie rozkładu. Uzyskany karbonizat, z uwagi na dużą porowatość

Rys. 2. Systematyka metod rozkładu termicznego odpadów Źródło: opracowanie własne (Wojciechowski i Doliński 2016)

i rozbudowaną powierzchnię czynną, może być stosowany jako materiał filtracyjny, do wytwarzania sorbentów albo pigmentów oraz może zostać wykorzystany jako substytut sadzy. W Polsce można szacować, że w procesie rozkładu termicznego rocznie można będzie wyprodukować z około 250 000 Mg odpadów gumowych, około 140 000 Mg oleju i około 25 000 Mg gazu, które mogą znaleźć zastosowanie jako paliwo do ogrzewania lub produkcji prądu elektrycznego (napędzanie agregatów prądotwórczych z zastosowanym silnikiem o zapłonie samoczynnym, jak również turbin gazowych).

Innym ciekawym przykładem realizowanym w nurcie GOZ jest technologia krakin-gu katalitycznego z uwodornieniem produktów rozpadu, opracowana przez firmę Share Energy Development SA we współpracy z Instytutem Chemii Przemysłowej i Przemy-słowym Instytutem Motoryzacji. Umożliwia ona wytwarzanie paliw silnikowych z od-padów tworzyw sztucznych, m.in. benzyn lotniczych. Schemat procesu przedstawiono na rysunku 3.

Przetwarzanie odpadów z tworzyw sztucznych w procesie depolimeryzacji sterowanej, stanowiącej odwrotność procesu polimeryzacji, pozwala na odzysk ciekłych węglowodo-rów – pochodnych ropy naftowej wykorzystywanej do produkcji tworzyw polimerowych, głównie poliolefin. Instalacja krakingu katalitycznego jest reaktorowym izolowanym termicznie urządzeniem w kontenerowej obudowie, najczęściej o wydajności 500 kg/h.

Proces przetwarzania odpadów tworzyw sztucznych na paliwa silnikowe wg metody HANDEREK TECHNOLOGY

Kraking kolumna destylacji reaktywnej ze złożem ruchomym wg patentu Adama Hańderka Uwodornienie bezciśnieniowa metoda uwodornienia wg patentu Instytutu Chemii Przemysłowej Izomeryzacja bezciśnieniowy proces izomeryzacji na katalizatorze palladowym

Fotografie próbek:

(a) próbka (termoliza pod N₂, bez uwodornienia), (b) próbka (termoliza pod N₂, uwodornienie pod

gazem syntezowym),

(c) próbka (zarówno termoliza jak i uwodornienie w mieszaninie gazu syntezowego N₂w stosunku 1:1),

(d) próbka (zarówno termoliza jak i uwodornienie pod gaz syntezowy).

Rys. 3. Schemat procesu przetwarzania odpadów tworzyw sztucznych na paliwa silnikowe według metody SHARE Energy

Źródło: opracowanie Adam Hańderek oraz (Matuszewska i in. 2019)

W reaktorze prowadzony jest proces depolimeryzacji w temperaturze do 420°C. Podczas procesu następuje rozkład termiczny tworzyw i odparowanie węglowodorów, kierowa-nych dalej do bezprzeponowego, wielostrefowego układu wykraplania. Skraplanie prowa-dzone jest w kilku stopniowych płynnych zakresach. Zakłada się, że na pierwszym stop-niu będą to frakcje od 370 do 270°C, na drugim stopstop-niu od 270 do 180°C, a na trzecim stopniu od 180 do 60°C; reszta poniżej 60°C kierowana jest jako gaz technologiczny do palników gazowych służących do nagrzewania reaktora. Wykraplane frakcje, parafinowa oraz olejowa, kierowane będą do tzw. aparatów naporowych poprzez system odbioru za-nieczyszczeń kwaśnych, które mogą powstać na skutek przypadkowej obecności PCV we wsadzie reaktora.

Opracowanie i wdrożenie w praktyce innowacyjnej instalacji i procesów technologicz-nych przebiegało we współpracy z wymienionymi instytucjami:

— kraking – kolumna destylacji reaktywnej ze złożem ruchomym według patentu Adama Hańderka;

— uwodornienie – bezciśnieniowa metoda uwodornienia według patentu Instytutu Chemii Przemysłowej;

— izomeryzacja – standardowy bezciśnieniowy proces izomeryzacji na katalizatorze palladowym, pozwoliło na osiągnięcie wysokiej jakości produktów.