and Environmental Protection
http://ago.helion.pl ISSN 1733-4381, Vol. 11 (2009), Issue 2 p. 63-72
Odzysk energii w przemysłowych procesach spalania i współspalania zużytych opon samochodowych
Wasielewski R., Stelmach S. 41-803 Zabrze, ul. Zamkowa 1 tel.032 271 00 41, fax.032 271 08 09 e-mail: rywas@ichpw.zabrze.pl
Streszczenie
Zużyte opony są jednym z tych rodzajów odpadów, który w największym stopniu obciąża środowisko naturalne. Ponieważ odpady te zawierają około 80% pierwiastkowego węgla i wodoru, mogą być one wykorzystywane jako paliwo w procesach przemysłowych lub do produkcji energii elektrycznej i ciepła. W praktyce przemysłowej zużyte opony są wykorzystywane jako paliwo zarówno w całości, jak i po wstępnej przeróbce, polegającej głównie na rozdrobnieniu i wyseparowaniu z uzyskanego materiału złomu metalowego. W publikacji scharakteryzowano najważniejsze technologie spalania i współspalania zużytych opon samochodowych na przykładzie wybranych instalacji przemysłowych, a także występujące problemy eksploatacyjne i uwarunkowania środowiskowe.
Abstract
Energy recovery by industrial combustion and co-combustion of used tires.
Used tires can be considered as a waste, which is very noxious for natural environment. Because used tires contain about 80% of elemental carbon and hydrogen, they can be utilized as a fuel in some production process (eg. cement production) or for direct heat and power generation. Used tires can be utilized both as whole tires and after preliminary mechanical processing, which means size reduction and metal parts separation. The paper presents description of most important used tires combustion and co-combustion technologies base on examples of selected industrial installations. Some technological and environmental aspects of thermal conversion of used tires are also discussed.
1. Wstęp.
Odpady gumowe są poważnym problemem ekologicznym i ekonomicznym ze względu na ich specyfikę materiałową. Największą część - około 80% masy tych odpadów - stanowią zużyte opony samochodowe, około 7% - taśmy przenośnikowe i pędne, a pozostałe 13% - inne poeksploatacyjne materiały gumowe [1]. Zużyte opony są jednym z tych rodzajów odpadów, który w największym stopniu obciąża środowisko naturalne. Ponieważ zużyte opony samochodowe zawierają około 80% masowych węgla i wodoru, mogą być one
wykorzystywane jako paliwo w procesach przemysłowych (np. w cementowniach) lub do produkcji energii elektrycznej i ciepła (energetyka). W tabeli 1.1 porównano wartość opałową zużytych opon samochodowych z innymi materiałami palnymi [2].
Tabela 1.1. Porównanie wartości opałowej zużytych opon z innymi materiałami palnymi. Materiał palny Wartość opałowa, MJ/kg
Biomasa (mieszanka) 15,1 Papier/tektura 17,4 Tekstylia 18,4 Węgiel kamienny 26,4 Zużyte opony 31,4 Ropa naftowa 39,5
W praktyce przemysłowej zużyte opony są wykorzystywane jako paliwo zarówno w całości, jak i po wstępnej przeróbce, polegającej głównie na rozdrobnieniu i wyseparowaniu +złomu metalowego. Taka forma paliwa wytworzonego ze zużytych opon nosi nazwę TDF (ang. Tyre Derived Fuel) i doczekała się już opracowania standardów jakościowych w Stanach Zjednoczonych (ASTM D 6700-01: Standard Practice for use of Scrap Tire-Derived Fuel) [3,4].
Odzysk energii z odpadów gumowych z reguły dokonywany jest poprzez ich bezpośrednie spalanie w specjalnie do tego celu przeznaczonych instalacjach lub odpady te są przetwarzane do produktów palnych (gaz, ciekłe węglowodory i karbonizat) w procesach pirolizy i zgazowania. Często stosowana jest również wzajemna kombinacja tych procesów, w powiązaniu z odzyskiem ciepła i produkcją energii elektrycznej [2].
Poniżej przedstawiono informacje dotyczące odzysku energii z odpadów gumowych, w tym głównie zużytych opon samochodowych, w procesie ich spalania/wspólspalania na przykładzie wybranych instalacji przemysłowych. Trzeba przy tym pamiętać, że poddawane odzyskowi energii zużyte opony samochodowe są odpadem, dlatego postępowanie z nimi musi spełniać wszelkie regulacje prawne dotyczące zagospodarowania i termicznego przekształcania odpadów. Racjonalne wykorzystanie zużytych opon (tak jak i wszelkich innych odpadów) powinno być zawsze oparte o rzetelne analizy pozwalające na ocenę ekonomiki procesu oraz jego wpływu na środowisko naturalne. Analizy te mogą być wykonywane na przykład w oparciu o metodologię zaprezentowaną w publikacji [5].
2. Spalanie zużytych opon samochodowych dla wytwarzania energii.
Głównym celem bezpośredniego spalania zużytych opon jest unieszkodliwianie odpadów (poprzez redukcję objętości) i odzysk energii. W spalarniach odpadów opony są spalane wspólnie z odpadami komunalnymi lub podawane do specjalnych pieców do spalania opon. Ponieważ zużyte opony są homogenicznym surowcem z niewielkimi wahaniami składu, instalacje do ich spalania są dosyć łatwe w prowadzeniu technologiczno-operacyjnym. Pozostałości procesowe są także homogeniczne i mogą stanowić produkty handlowe. Pozostałości stałe ze spalania opon mogą być wykorzystywane w przemyśle hutniczym (zawierają one około 70% żelaza, w przypadku spalania opon z kordem metalowym), do budowania dróg lub w ostateczności składowane. Natomiast popiół lotny z systemu
Archives of Waste Management and Environmental Protection , vol.11 issue 2 (2009) 65 oczyszczania spalin powstających podczas spalania opon jest wartościowym surowcem dla produkcji cynku ze względu na jego wysoką zawartość (ponad 50%) w tym materiale. Istnieje wiele rozwiązań konstrukcyjnych instalacji specjalnie przeznaczonych do spalania zużytych opon. Wykorzystują one paleniska z rusztem mechanicznym, piecem obrotowym oraz komory spalania ze złożem fluidalnym. Cechą charakterystyczną, a zarazem wadą dwóch pierwszych rozwiązań jest konieczność stosowania dodatkowej komory dopalania, w przeciwieństwie do spalania w złożu fluidalnym. Instalacje do spalania opon posiadają rozbudowane układy oczyszczania spalin, głównie ze względu na wysoki poziom zawartości SO2 [2,4,6].
Budowa spalarni odpadów wymaga znacznego kapitału inwestycyjnego i przezwyciężenia silnej opozycji publicznej, dla uzyskania stosownych zezwoleń i określenia lokalizacji. Niedostateczny stopień wypalenia węgla organicznego zawartego w oponach i mało efektywna kontrola emisji zanieczyszczeń gazowych były przyczynami zamknięcia wielu spalarni tych odpadów. Postęp technologiczny w zakresie spalania z wykorzystaniem złoża fluidalnego (zwiększającego dynamikę procesu) może poprawić niezawodność operacyjną i bezpieczeństwo ekologiczne spalarni odpadów gumowych, a co za tym idzie poprawić ich odbiór społeczny. Spalanie odpadów gumowych jest generalnie technologią bardzo kapitałochłonną, która może być konkurencyjna tylko w realizacji o bardzo dużej skali. Rozdrabnianie opon, które jest etapem niezbędnym dla spalarni ze złożem fluidalnym, podnosi również koszty utylizacji.
Instalacje przeznaczone wyłącznie do spalania zużytych opon odniosły niewielkie komercyjne sukcesy na całym świecie. Wysokozaawansowane projekty, takie jak instalacje firmy Gummi-Mayer w Landau (Niemcy), instalacja SITA-Elm Energy w Wolverhampton (Wlk. Brytania) i instalacja Modesto Tyre w Westley w Kaliforni (USA), zostały wszystkie zamknięte. Jednak twierdzenie, że spalarnie opon nie działają nie jest do końca prawdziwe. Amerykańskie spalarnie Chewton Glen w Fort Heights (Illinois), Exeter Energy w Sterling (Connecticut), włoskie instalacje firmy Marangoni we Włoszech i instalacje firmy Ebara w Japonii, wykorzystujące złoże fluidalne, dotychczas działają z powodzeniem [2,4,7]. Poniżej przedstawiono krótką charakterystykę wybranych instalacji.
W instalacji w Wolverhampton (Elm Energy & Recycling/SITA Tyre Recycling - Wlk. Brytania) proces spalania zużytych opon samochodowych prowadzono od 1993 roku. Obecnie instalacja ta jest zamknięta z przyczyn ekonomicznych. Niemniej podczas okresu działalności przerabiała ponad 50tys. Mg odpadów bez większych problemów technicznych.
Instalacja w Wolverhampton składała się z kilku jednostek spalających wyposażonych w ruszty pulsacyjne. Zużyte opony transportowano na miejsce przerobu w zamkniętych przyczepach. Po zważeniu na wadze pomostowej przyczepy parkowano przy rampach załadunku, skąd zasobnikami samowyładowczymi przemieszczano je bezpośrednio do jednostek spalających. W normalnych warunkach operacyjnych, opony podawano do każdej z instalacji spalających w porcjach, po 72 opony na godzinę. Schemat pojedynczej jednostki spalającej przedstawiono na rysunku 2.1. Gdy zasobnik zawierał wymaganą ilość surowca, wówczas jego pokrywa zamykała się i system kontroli automatycznie dokonywał
w nim zmian temperatury i ciśnienia, jeszcze przed załadunkiem opon do komory spalania. Po spełnieniu wszystkich kryteriów operacyjnych ładunek wpychano do komory spalania na ruszt suszący. Ruszt suszący składał się z zestawu metalowych trzpieni pokrytych materiałem ogniotrwałym, co pozwalało na dopływ i cyrkulację ciepła wokół opon oraz wyprowadzenie nadmiaru wilgoci, zanim metalowy popychacz wepchnie opony na pierwszy ruszt pulsacyjny. Wielkość szczeliny pomiędzy trzpieniami dopasowano w taki sposób, aby zredukować przepadanie opon przez ruszt i ich przetaczanie przez jednostkę. Każda jednostka spalająca posiadała trzy ruszty pulsacyjne, na których materiał się przesuwał regularnym ruchem pulsacyjnym. Spalanie opon rozpoczynało się na pierwszym ruszcie i postępowało w trakcie przesuwania materiału wzdłuż jednostki (rys. 2.1). Temperatura w komorze spalania dochodziła do 1050oC przy czasie przebywania materiału w komorze na poziomie ok. 2÷3 godzin.
Rysunek 2.1. Schemat jednostki spalającej zużyte opony w instalacji SITA/Elm Energy (Wolverhampton, Wlk. Brytania).
Teoretycznie, załadowane opony powinny zostać całkowicie spalone przed końcowym rusztem pulsacyjnym, jakkolwiek spalanie przebiegało czasem na ruszcie końcowym. Głównym powodem była niewystarczająca ilość powietrza dostarczanego do strefy rusztu dla spalenia sadzy zawartej w oponach. Próby podniesienia ciśnienia powietrza wdmuchiwanego przez dysze powodowały powstawanie lokalnych stref przegrzanych przy głowicach wdmuchu, co w konsekwencji powodowało wytwarzanie żużla w postaci stopionej i obklejanie nim spalanych opon. Gazy wytworzone podczas procesu spalania wyprowadzano z komory spalania do tunelu dopalania. Przed skierowaniem do kotła gazy schładzano do 780oC. Schłodzony tlenek cynku zawarty w spalinach kondensował i był odzyskiwany w formie pyłu w filtrach workowych. Po usunięciu tlenku cynku spaliny poddawano procesowi odsiarczania w wieży reakcyjnej, poprzez wymieszanie z wapnem i wodą. Wapno było recyrkulowane w układzie ze stałym upustem. Wymagane ilości świeżego wapna wprowadzano z wykorzystaniem systemu automatycznej kontroli. Po
Archives of Waste Management and Environmental Protection , vol.11 issue 2 (2009) 67 takiej obróbce spaliny kierowane były do komina. Z uzyskanych informacji wynika, że w fazie rozruchu występowały problemy niepełnego spalania pyłu i jego wynoszenia z jednostki spalającej, co powodowało, że odzyskiwany tlenek cynku zawierał także pył węglowy. Materiał wychwycony w filtrach workowych zawierał mieszankę tlenku cynku i pyłu węglowego w proporcji 1/1. Podczas modernizacji linii technologicznej dysze wdmuchu powietrza umieszczone w tunelu dopalającym przesunięto bliżej komory spalania, w miejsce gdzie temperatura gazów była dostatecznie wysoka dla ich dopalenia. Wpłynęło to na wzrost wypalenia węgla zawartego w pyle i zwiększyło czystość wytwarzanego tlenku cynku. Spalony materiał przepadając przez krawędź końcowego rusztu pulsacyjnego wpadał do kąpieli wodnej. Stamtąd był wybierany i kierowany do odwodnienia, a następnie składowany. Tlenek cynku z filtrów workowych poddawano recyklingowi w metalurgicznej produkcji cynku.
Jedną z najbardziej znanych przemysłowych amerykańskich instalacji do produkcji energii elektrycznej ze zużytych opon samochodowych zbudowała firma Oxford Energy (po bankructwie w 1993 roku przejęta przez CMS Energy) w miejscowości Westley w Kalifornii w 1987 roku. Koszt budowy instalacji wynosił około 41mln dolarów. Instalacja o mocy 14MW (eksploatowana przez firmę Modesto Energy) została jednak zamknięta w wyniku strat spowodowanych wielkim pożarem na składowisku surowca w 1999 roku. Jej zdolność przerobowa wynosiła około 5÷6Mg/odpadów na godzinę, co umożliwiało spalanie około 5mln sztuk zużytych opon rocznie. Instalacja wyposażona była w dwie komory spalania, z towarzyszącymi instalacjami kotłowymi (rys. 2.2).
Rysunek 2.2. Schemat instalacji spalania opon Modesto Energy w Westley (Kalifornia, USA).
Proces spalania przebiegał w temperaturze powyżej 980oC. Podczas spalania opony były dostarczane w całości na ruszt posuwisto-zwrotny. Ruszt wykonano z materiału o podwyższonej odporności na wysoką temperaturę. Jego konstrukcja prętowa umożliwiała przepływ powietrza w strefie nad i pod rusztem, wspomagając proces spalania i chłodząc ruszt. Odpady paleniskowe przepadały pod ruszt i wyprowadzane były systemem przenośników na zewnątrz instalacji. Konstrukcję rusztu oparto o 12 letnie doświadczenia niemieckiej firmy Gummi-Mayer. Instalację oczyszczania spalin wyposażono w układ
odsiarczania, układ przeciwdziałania powstawaniu NOx termicznych i filtry workowe
o sprawności powyżej 99%, co pozwalało na spełnianie wyznaczonych standardów emisyjnych. Prowadzony był również pełny recykling powstających odpadów wtórnych z ich docelowym wykorzystaniem w przemyśle cementowym i hutnictwie cynku. Instalacja przystosowana była również do spalania innego rodzaju paliw na wypadek okresowego braku dostaw opon.
Od 1991 roku, z wydajnością 288Mg opon/dzień, pracuje instalacja w miejscowości Sterling w północnej części stanu Connecticut (eksploatowana przez firmę Exeter Energy) o mocy 26MW (rys. 2.3). Koszt jej budowy wyniósł około 70mln dolarów. Instalacja ta wyposażona jest w dwa kotły z rusztem posuwisto-zwrotnym. Układ oczyszczania spalin składa się z elektrofiltru i skrubera mokrego, co pozwala na usunięcie ze spalin 97% SO2
oraz 99% HCl.
Rysunek 2.3. Exeter Energy (Connecticut, USA). Największa pracująca instalacja spalania opon na świecie.
Od 1996 roku pracuje (z przerwą spowodowaną pożarem układu podawania rozdrobnionych opon do kotła) instalacja o mocy 20MW w Fort Heights (Chewton Glen Energy) w stanie Illinois, USA (rys. 2.4). W instalacji tej kocioł wyposażono w pochyły ruszt posuwisto-zwrotny. Ponownie uruchomiona w 2002 roku instalacja wyposażona jest w układ oczyszczania spalin składający się ze skruberów mokrych oraz filtrów workowych.
Archives of Waste Management and Environmental Protection , vol.11 issue 2 (2009) 69
Rysunek 2.4. Ford Heights (Illinois, USA) - instalacja spalania TDF.
Planowana do budowy i uruchomienia w 2009 roku jest również instalacja o mocy 70MW w Bostonie (eksploatowana przez Erie Renewable Energy) w stanie Massachusetts. W instalacji tej zakładane jest wykorzystanie kotła fluidalnego. Projektowana wydajność wynosi 800Mg opon/dzień, co sprawia, że będzie to największy tego typu zakład na świecie. Planowany koszt budowy wynosi ok. 94mln dolarów.
W Europie pracują również instalacje do spalania opon włoskiej firmy Marangoni w Rento, Bellona i Frosinone (Włochy), dla których nie znaleziono jednak szczegółowych danych technicznych.
3. Współspalanie odpadów gumowych w piecach cementowych.
Najważniejszą aplikacją przemysłową procesu współspalania odpadów gumowych jest produkcja cementu [2]. Korzyści z tego wynikające to między innymi obniżenie kosztów zakupu paliw kopalnych i redukcja emisji gazów cieplarnianych. Zapotrzebowanie energetyczne w procesie produkcji klinkieru wynosi około 1,75MJ/kg cementu. Odpady gumowe, w tym głównie zużyte opony samochodowe, są dozowane do pieca w całości lub w postaci rozdrobnionej (rys. 3.1). Długi czas przebywania odpadów w strefie wysokich temperatur (znacznie przekraczających 1500oC) gwarantuje całkowite spalenie opon przy minimalnym tworzeniu się dioksyn i furanów. Istniejące w piecu cementowym warunki procesowe są bardziej korzystne dla termicznej degradacji opon niż w przypadku spalania ich w piecach rusztowych w spalarni odpadów.
Rysunek 3.1. Instalacja podawania całych opon do pieca cementowego.
Energia zawarta w oponach wykorzystywana jest „in situ” jako źródło ciepła, natomiast części niepalne wchodzą w skład klinkieru cementowego. Przy dużej ilości spalanych opon może być obserwowany wzrost zawartości tlenku żelaza w klinkierze, co należy kompensować składem surowcowym. Wiele wiodących koncernów cementowych (Lafarge, Heidelberg, Taiheiyo, czy Italcementi) posiada instalacje na całym świecie, które na bieżąco współspalają zużyte opony. W krajach, w których współspalanie odpadów w piecach cementowych jest szeroko praktykowane, od 15 do 40% odpadów gumowych poddaje się odzyskowi tą drogą.
4. Współspalanie zużytych opon z węglem kamiennym.
Współspalanie odpadów gumowych nie dotyczy wyłącznie pieców cementowych. Na przykład w przemyśle celulozowo-papierniczym odpady gumowe (z reguły przetworzone do postaci TDF) są współspalane z osadami ściekowymi wytwarzanymi w tych zakładach oraz biomasą. Znane są także przypadki współspalania TDF z biomasą w energetyce. Przykładem może być tu instalacja firmy Akron Thermal Energy Corp. w stanie Ohio w USA, produkująca ciepło i energię elektryczną ze współspalania biomasy z 20% udziałem odpadów gumowych w kotłach z paleniskami narzutowymi [2,7].
Odpady gumowe współspalane są także w instalacjach wyposażonych w kotły z paleniskiem cyklonowym. Przykładem takiej instalacji jest Rock River Generating Station (Alliant Energy) w Beloit, stan Wisconsin. Instalacja ta jest wyposażona w dwa kotły z paleniskami cyklonowymi, a udział TDF w mieszance paliwowej z węglem kamiennym wynosi 5% [8].
Innym przykładem współspalania odpadów gumowych z węglem kamiennym jest instalacja zlokalizowana w Bainbridge (NYSEG - Jennison Station), w stanie Nowy Jork. W instalacji tej o mocy 74MW i wyposażonej w cztery kotły z rusztem mechanicznym współspala się TDF, przy czym jego udział w mieszance paliwowej wynosi 25% [8].
Archives of Waste Management and Environmental Protection , vol.11 issue 2 (2009) 71 Instalacja w Lakeland (Ridge Generating Station) na Florydzie o mocy 40MW od 1994 roku współspala TDF (30%) z biomasą (drewno odpadowe) oraz gazem ziemnym (4%) w dwóch kotłach z rusztem mechanicznym (rys. 4.1). Instalacja oczyszczania spalin zawiera układ absorpcyjny z wtryskiem wapna na półsucho, filtr workowy oraz system wtrysku amoniaku dla redukcji tlenków azotu [8].
Rysunek 4.1. Ridge Generating Station w Lakeland (Floryda, USA), instalacja współspalania TDF.
Znane są także przykłady krajowe, np. Przedsiębiorstwo Energetyki Cieplnej S.A. w Wałbrzychu, współspala od kilku lat rozdrobnione zużyte opony z węglem kamiennym w kotle rusztowym WR-25, wyposażonym w instalację odsiarczania spalin [9].
Energetycznemu wykorzystaniu TDF towarzyszą pewne utrudnienia, takie jak: wysoka zawartość siarki, która może stwarzać problemy korozyjne w kotle oraz wysoki poziom zawartości smoły w fazie gazowej, który może być przyczyną przyspieszonego narastania osadów na ekranach kotłowych. Także wysoka wartość opałowa TDF może powodować uszkodzenia wymurówki ogniotrwałej, w kotłach projektowanych dla paliw o znacznie niższej wartości opałowej.
5. Podsumowanie
Proces spalania/współspalania zużytych opon samochodowych różni się dosyć istotnie od spalania typowych paliw kopalnych i powinien być prowadzony w urządzeniach specjalnie do tego celu przystosowanych. Proces spalania/współspalania zużytych opon samochodowych podlega wymaganiom związanym z termicznym przekształcaniem odpadów. Doświadczenia zagraniczne wskazują na konieczność wielostopniowego dozowania powietrza dla pełnego dopalenia substancji organicznych obecnych w produktach odgazowania opon, a często zastosowania dodatkowej komory dopalania spalin. Jednocześnie towarzysząca instalacja oczyszczania spalin powinna być wyposażona w wysokosprawny układ odpylania oraz odsiarczania spalin. Jak wynika z powyższej
analizy, istnieje wiele rozwiązań technologiczno-konstrukcyjnych pozwalających na odzysk energii ze zużytych opon samochodowych. Jednak niewiele z tych technologii odnosi sukcesy komercyjne. Nadal dominującym kierunkiem energetycznego wykorzystania tych odpadów jest ich współspalanie w przemyśle cementowym, wymagające najmniejszych nakładów finansowych i niepowodujące dodatkowego zagrożenia środowiskowego.
Literatura
[1] Parasiewicz W., Pyskło L., Magryta J.: „Poradnik - Recykling zużytych opon samochodowych”, wyd. IPG STOMIL Piastów, 2005.
[2] Wasielewski R., Sobolewski A.: „Wybrane aspekty odzysku energii z odpadów gumowych”, Recykling i odzysk odpadów polimerowych, Wyd. Instytut Chemii Przemysł, Warszawa, 2007, s.181-184.
[3] ASTM D 6700-01: Standard Practice for use of Scrap Tire-Derived Fuel.
[4] Wasielewski R., Matuszek K.: „Wybrane aspekty współspalania odpadów gumowych”, Paliwa z odpadów - tom VI, Pr. zbior. pod red. Janusza W. Wandrasza i Krzysztofa Pikonia; Wyd. HELION, Gliwice; 2007, s. 267÷272.
[5] Pikoń K., Gaska K.: „Methodology of Environmental and Economic Optimisation of Waste to Energy Systems”, Conference proceedings, 21st International Conference on Efficiency, Cost, Optimization, Simulation and Environmental Impact of Energy Systems, ECOS 2008, Kraków, Poland.
[6] Sharma V. K., Mincarini M., Fortuna F., Cognini F., Cornacchia G.: „Disposal of waste tyres for energy recovery and safe environment – review”, Energy Conversion Management, 1998, 5-6, s. 511-521.
[7] Scrap tire markets in United States, 2006, Rubber Manufactures Association, 2006. [8] Tillman D., Harding N.: “Fuels of opportunity: Characteristics and uses in combustion
systems”, Elsevier, 2004.
[9] Chruściel R., Owczarek A.: „Energetyczna utylizacja zużytych opon samochodowych na przykładzie ciepłowni C-3 w Wałbrzychu”, Materiały VII Konferencji Naukowo-Technicznej Energetyków – Kierunki i sposoby oszczędzania energii, Katowice, 29.11.2002.
