and Environmental Protection
http://ago.helion.pl ISSN 1733-4381, Vol. 10(2008), p-13-26
Systemy likwidacji odpadów z odzyskiem energii Pilawski M.,
Firma "MARKON" Marek Pilawski, ul. Leśna 17 lok.13,
05-120 Legionowo,
tel. (+48 22 7846104(,(fax(+48 7845653), e-mail: marekpilawski@wp.pl
Streszczenie
Dotychczas stosowane są w Polsce otwarte systemy gospodarowania odpadami, działa-jące wg schematu : Mieszkańcy>Odpady>Wysypisko.
Celem artykułu będzie wykazanie, że istnieją w Polsce możliwości zarówno technologicz-ne, jak i organizacyjne do stosowania w pełnym zakresie zamkniętych systemów gospo-darowania odpadami.
W szczególności wytworzoną z odpadów energię można i należy wykorzystać do takiego przetworzenia pozostałych grup odpadów, aby przetwarzanie odpadów jako całości było bezodpadowe. W ten sposób może być realizowany proces „samolikwidacji” odpadów. W Systemie tym - zwanym Systemem OPO – „odpady pracują na odpady”. Istotą procesów „samolikwidacji” odpadów są zamknięte obiegi materiałowo – energetyczne w technolo-gicznych systemach gospodarowania odpadami.
W pracy podane będą bilanse materiałowo – energetyczne takich układów.
Abstract
Waste disposal system with energy recovery
Waste transformation system works as a system of alternative fuels production. One can use that alternative fuels to transformation of other kinds of wastes. In technological line is created idea : „ WWW System - Waste Works on Waste System „. In consistency WWW System works as a „ all waste liquidation system”. In the paper is described one of possible of WWW System with tires transformation process into gas fuel using to transformation of waste plastic materials into liquid fuel components, etc. Excess of fuel or energy production is sold on the market.
1. Wstęp
Ekologia, rozwój ekologiczny, ekorozwój - to pojęcia bardzo często używane przez polity-ków, dziennikarzy, działaczy i przez wiele innych grup społecznych i obywateli. Ale co w praktyce pojęcia te oznaczają? Jakie instrumenty i jaki zestaw działań są wyznacznikami ekorozwoju? W Polsce na cele związane z ochroną środowiska wydaje się rocznie ok. 30 dolarów w przeliczeniu na jednego mieszkańca. Dla porównania, w krajach Europy Za-chodniej i USA około 2% budżetu przeznaczane jest na ochronę środowiska, co oznacza, że przeliczając na jednego mieszkańca wydaje się na ten cel ok.300 dolarów [1]. Wskaźniki zacofania, czy rozwoju? :
•••• W Polsce wytwarzamy rocznie ponad 120 mln ton odpadów przemysłowych rocznie (prawie tyle co Anglia i Francja). Jest to wynik rozwoju gospodarki surowcowej w Polsce. Odpady te nie są dalej przerabiane.
•••• W Polsce wytwarzanych jest rocznie około 12 mln ton odpadów komunalnych. Główny sposób gospodarowania tymi odpadami - przewóz na wysypisko.
•••• Stopień przetworzenia odpadów komunalnych.
W USA 62 % odpadów komunalnych trafia na wysypisko śmieci, 17% jest przetwarzana w różny sposób, 16% jest źródłem odzyskanej energii użytecznej, 1% jest spalanych bez od-zysku energii.
Jak wiadomo w Polsce powstaje około 12 mln ton odpadów komunalnych rocznie, z czego przetwarzanych jest tylko ok. 1%. Natomiast niewielu działaczy ochrony środowiska ma świadomość tego, jak wielkie ilości energii zmagazynowane są w tych odpadach. Jest to bowiem raczej sprawa technologów.
W tej chwili ze wszystkich siedmiu grup rodzajowych odpadów potrafimy odzyskiwać ciekłe i gazowe nośniki energii. Znane są technologie odzyskiwania energii, istnieją odpo-wiednie instalacje pracujące w skali technicznej, są wykonane szacunkowe kalkulacje efek-tywności działania tych instalacji wykazujące, że działalność w zakresie ochrony środowi-ska skoncentrowana na wykorzystaniu walorów energetycznych polskich odpadów komu-nalnych, jest działalnością przynoszącą zysk.
Przyjmując, że potencjał energetyczny polskich odpadów komunalnych surowych wynosi 1,5 MWh/t brutto, a po uwzględnieniu strat energii cieplnej – 1 MWh/t netto, przy konku-rencyjnej cenie zbytu odzyskanej energii cieplnej w wysokości 100 zł/MW, otrzymuje się potencjał energetyczny netto odpadów 12 mln MWh z możliwością uzyskania przychodów w wysokości 1,2 mld zł rocznie. Warunkiem jest oczywiście spełnienie wymagań ekolo-gicznych w procesach odzysku energii z odpadów.
Obecnie ochrona środowiska i ekologiczne wytwarzanie paliw alternatywnych, w tym zwłaszcza z odpadów, jest pilną koniecznością i codziennym zadaniem do spełnienia przez wszystkich mieszkańców Ziemi. Obecnie zarówno przepisy prawne jak i technologie stwo-rzyły takie warunki, że w realizacje postulatów ochrony środowiska mogą, i powinni, wkroczyć Przedsiębiorcy i Inwestorzy. W tej dziedzinie bowiem znajdują oni dogodne warunki zarówno do pozyskiwania surowców jak i zbytu wytworzonych produktów. Poza tym ten kierunek działalności zapewnia godziwe zyski i objęty jest systemem dotacji i preferencyjnych kredytów. Nie bez znaczenia jest tu również fakt, że Przedsiębiorcy i
In-westorzy działając w tym sektorze mają duże i bardzo duże perspektywy stabilnej działal-ności i rozwoju – rozwoju zarówno w sensie skali jak i rozwoju terytorialnego i technolo-gicznego.
Proponuje się, aby tego rodzaju zadania prowadzić w Regionalnych Centrach Paliwowo – energetycznych RCPE. RCPE to taki system gospodarki odpadami, który :
•••• w aspekcie technologicznym – nie wytwarza odpadów wtórnych, a poprzez produk-cję paliw z odpadów, jest autonomiczny i samowystarczalny pod względem energe-tycznym (Centrum takie nie ma swojego odpowiednika w kraju),
•••• w zakresie terytorialnym RCPE obejmuje Region pokrywający obszar kilku powia-tów,
•••• w zakresie rynkowym – racjonalizując gospodarkę odpadami przetwarza je w taki sposób, że produkty tego przetwarzania są użyteczne przede wszystkim dla miesz-kańców i Zakładów Przemysłowych Regionu, a także dla samego Centrum.
RCPE stwarza warunki i przyczynia się swoim działaniem do zamkniętych obiegów od-padów i produktów ich przetwarzania w Regionie dbając o pozostawianie w środowisku jak najmniejszej ilości odpadów nieprzetworzonych i nieprzetwarzalnych.
Zadaniem RCPE jest stopniowa przebudowa “Otwartych Systemów Gospodarowania Od-padami” w Regionie do “Zamkniętych Systemów Gospodarowania OdOd-padami”.
Otwarty i Zamknięty System Gospodarowania Odpadam
Aby sprostać wymaganiom stawianym Zamkniętym Systemom Gospodarowania Odpadami RCPE ma złożoną strukturę i w swym działaniu silnie związany jest z otoczeniem, repre-zentowanym w szczególności przez mieszkańców, gminy, Zakłady Przemysłowe, itd., a ponadto w swym działaniu stosuje „zamknięte obiegi materiałowo – energetyczne” reali-zowane przez zawarte w nich systemy „samolikwidacji” odpadów, u podstaw działania których leżą urządzenia Recyklingu Molekularnego Odpadów.
2. Urządzenie recyklingu molekularnego odpadów
2.1. Budowa urządzenia recyklingu molekularnego odpadów
Podstawowym urządzeniem recyklingu molekularnego odpadów jest Reaktor Ciekłometa-liczny RCM. Reaktor ciekłometaCiekłometa-liczny jest w szczególności piecem indukcyjnym przezna-czonym do wytopu metali. W przestrzeni reakcyjnej reaktora, pomiędzy lustrem ciekłego metalu a kopułą pieca, w szczególności występuje temperatura w zakresie 1400 – 1600 0C.
W tych temperaturach nie występują już związki chemiczne, a wprowadzone do reaktora odpady, niezależnie od ich natury, przekształcają się w gazowy strumień molekuł zawiera-jących atomy C, O, i H, a więc pierwotne czyste nośniki energii i utleniacz [2,3].
W tym przypadku (rys.1) rozdrobnione odpady wymieszane z wodą 19 zasypywane są do leja zasypowego 18, a ślimakiem 20 wykonanym z kompozytów poprzez rurę 15 wprowa-dzane są wprost do wnętrza złoża ciekłometalicznego i do przestrzeni reakcyjnej 11 i opa-dają na ślimakowe elementy mechaniczne 8, gdzie są transportowane po powierzchni stopu ciekłometalicznego 4 tak długo, aż cała materia ulenie destrukcji termicznej na proste mo-lekuły. W temperaturze reakcji i w obecności węgla organicznego również woda ulega rozpadowi na tlen i wodór. W ten sposób, bez udziału tlenu atmosferycznego, powstaje wysokotemperaturowy gaz poreakcyjny bogaty w CO i H2, lub bogaty w CO2 i H2 22, który
rurą 16 kierowany jest do chłodnicy 23, a dalej do zbiornika 24. Część gazu ze zbiornika, za pomocą zaworu 25, kierowana jest do układu odbioru głównego strumienia energii 26. Część potencjału energetycznego gazów poreakcyjnych, za pomocą urządzenia 27, wyko-rzystywana jest w samym reaktorze w celu podtrzymania zachodzących w nim procesów. Czujniki temperatury 7 i 9 umieszczone w złożu ciekłometalicznym i przestrzeni reakcyjnej kontrolują pracę urządzenia. Tygiel ceramiczny 2 z izolacją cieplną 3 stanowi element pieca 1 indukcyjnego lub kadzi ogrzewanej strumieniem energii 27 celem podtrzymania ciągłości procesu.
Rysunek 1. Schemat poglądowy reaktora RCM jako podstawowego urządzenia recyklingu molekularnego odpadów.
Budowany aktualnie reaktor RCM ma cechy :
• typ – piec indukcyjny specjalnego przeznaczenia, • rodzaj ciekłego metalu – miedź,
• masa ciekłego metalu – 1 tona, • powierzchnia reaktora - 1 m2, • moc zasilacza – 1,5 MW,
• czas topienia metalu i uzyskiwania temperatury 1 400 0C – 1 godz., • moc utrzymania złoża w stanie ciekłym – 24 - 40 kW,
• rodzaj używanych materiałów termoizolacyjnych – do 3 000 0C, • automatyka – typowa dla urządzeń pracujących w zakresie do 3 000 0C,
• elementy napędu : łożyska, sprzęgła, przenoszenie napędu – wykonanie z grafitu pirolitycznego,
• mechaniczne elementy wprowadzania i transportu odpadów – wykonanie z two-rzywa kompozytowego,
• układ wyprowadzania i schładzania wodą gazów poreakcyjnych, przed ich dalszą obróbką.
2.2. Sposób wykorzystania gazów poreakcyjnych. Możliwości zastosowań technologii RCM
Gazy reakcyjne powstające w procesie zgazowania odpadów przy udziale wody w temperaturze 1 500 0C, zawierające CO lub CO2 i H2, można zagospodarować w różny sposób [3] :
1. Spalanie gorących gazów poreakcyjnych w powietrzu
2. W wyniku spalania gazów w powietrzu wydziela się ciepło. Należy jednak liczyć się w tym przypadku z dużą ilością spalin i obecnością w spalinach tlenków azotu. 3. Spalanie gazów poreakcyjnych w obecności utleniaczy
4. Spalanie gazów reakcyjnych w obecności utleniaczy prowadzi do wydzielenia się ciepła. W tym przypadku powstaje jednak kilkakrotnie mniejsza ilość spalin, niż w przypadku pierwszym. W zależności od rodzaju użytego utleniacza w spalinach mogą się pojawić tlenki azotu, lub nie.
5. Spalanie w powietrzu schłodzonych gazów poreakcyjnych
6. Gaz reakcyjny można schłodzić do temperatur np. pokojowych w chłodnicy, a na-stępnie spalać schłodzony gaz reakcyjny w powietrzu, w kontrolowanych warun-kach fizycznych. W tym przypadku w układzie są dwa źródła ciepła : chłodnica i palnik gazowy.
7. Spalanie gazów poreakcyjnych w silnikach gazowych agregatów prądotwórczych 8. Schłodzony w chłodnicy gaz reakcyjny do temperatury 60 0C lub niższej może
stanowić paliwo gazowe agregatów prądotwórczych wyposażonych w silniki ga-zowe. Jeśli ponadto agregat prądotwórczy wyposażony jest dodatkowo w wy-miennik ciepła pracujący na spalinach, to jest on źródłem nie tylko energii elek-trycznej, lecz również cieplnej.
10. Gaz syntezowy, otrzymany z reaktora RCM, można użyć do zasilania ogniw pali-wowych w celu produkcji energii elektrycznej, po uprzednim usunięciu z niego CO lub/i CO2. Ogniwa paliwowe na wodór pracują ze sprawnością 60%.
Nato-miast ogniwa paliwowe pracujące ze sprawnością 40 % na gazie syntezowym wejdą do eksploatacji za kilka lat.
11. Separacja składników gazów reakcyjnych
12. Gorące składniki gazów reakcyjnych można na sicie molekularnym rozdzielić na tlenek węgla i wodór. Wodór można wykorzystać w wodorowym ogniwie pali-wowym o sprawności 60 %, natomiast tlenek węgla spalić w kontrolowanych wa-runkach spalania celem odzyskania energii cieplej.
13. Likwidacja spalin gazów reakcyjnych
14. Gorące spaliny gazów reakcyjnych zawierające CO2 i parę wodną można
zredu-kować do krystalicznych związków typu X2CO3 i wody. Wodę można ponownie
zawrócić do procesu. W tym przypadku technologia RCM zostaje pozbawiona komina, staje się technologią „bezkominową”, i choć fizycznie jest technologią termiczną, nie jest technologią spalania odpadów w rozumieniu Ustawy „O Odpa-dach”.
15. (Tlen do spalania gazów reakcyjnych można czerpać nie tylko z wody, lecz rów-nież z kopalni, w których istnieją urządzenia do separacji tlenu atmosferycznego i azotu, przy czym tlen jest uwalniany do atmosfery, a azot służy do wentylowania zagrożonych wybuchem szybów kopalnianych).
16. Zintegrowanie reaktora RCM i spalarni odpadów
17. Dowolne odpady, dzięki reaktorowi RCM, można spalać w dowolnych warun-kach, nawet w warunkach prymitywnych, a następnie popiół skierować do reakto-ra RCM celem jego witryfikacji. Również spaliny można skierować do tegoż reak-tora i zmienić ich skład chemiczny dzięki użytym dodatkom i katalizatorom. W procesie szokowego schładzania spalin można odzyskać energię cieplną.
18. Przystawka Satelitarna
Reaktor RCM można potraktować jako Przystawkę Satelitarną współpracującą z ko-tłem energetycznym. W systemie tym zwitryfikowany popiół wyprowadzany z re-aktora używa się jako kruszywo budowlane, a gaz syntezowy (gazy reakcyjne) wprowadza się do komory paleniskowej kotła energetycznego, gdzie w atmosferze powietrza wtórnego z zastosowaniem np. technologii energowiru, gaz syntezowy zostaje spalony stając się dodatkowym źródłem ciepła w kotle. W ten sposób na-stępuje współspalanie odpadów z paliwami kopalnymopalnymi.
3. Podstawowy układ samolikwidacji odpadów z odzyskiem energii
Systemy z zamkniętymi obiegami materiałowo - energetycznymi można rozbudować do układów „samolikwidacji” odpadów.
W układzie tym odpady surowe podlegają wstępnej segregacji celem wyeliminowania z nich części metalowych i mineralnych, które stanowią odrzut technologiczny. Polskie od-pady komunalne surowe mają wartość opałową równą 1,4 – 1,5 kWh/t i z punktu widzenia pracy reaktora RCM nic się nie stanie, jeśli w takim stanie będą one wprowadzane do reak-tora. Wyeliminowanie jednak z nich części metalowych i ceramicznych powoduje wzrost
wartości opałowej, już tylko organicznych odpadów, do poziomu ok. 2,0 – 2,4 kWh/t, co oczywiście z energetycznego punktu widzenia jest bardziej korzystne. Elementy ceramicz-ne i metalowe stanowią surowce wtórceramicz-ne i mogą być sprzedawaceramicz-ne na rynku surowców wtór-nych. W Reaktorze Ciekłometalicznym Molekularnym RCM odpady organiczne z wodą w temperaturach reakcji zamieniają się w strumień gorących gazów bogatych w CO i H2, lub bogatych w CO2 i H2. Główna część strumienia gorących gazów stanowi główny strumień energii uzyskiwanej z reaktora. Część strumienia gorących gazów jest schładzana i wpro-wadzana do silnika gazowego agregatu prądotwórczego. Ciepło odpadowe z tego agregatu stanowi poboczny strumień energii. Energia elektryczna uzyskiwana z agregatu zasila zwrotnie cewkę indukcyjną reaktora RCM.
Tabela 1. Właściwości paliwowe różnych komponentów ciekłych paliw alternatywnych na tle parametrów paliw normowych (tabela oryginalna)
Wyszczególnienie Normowy olej opałowy „ekoterm” Olej z prze- pracowanycholejów samochodow. Olej z oleju popiro-lit.zopon samoch. Olej z tworzyw sztucznych poliolefin-owych Olej z gliceryny „glicer” Gęstość przy 20°C g/ml, nw 0,880 0,812 – 0,840 0,830 0,785 – 0,850 0,8744
Barwa brązowa ciemnobrąz żółta ciemnobrąz
Przezroczystość klarowny klarowny klarowny 1,0 – 2,0 50% dest. do st. 0 C, nw --- --- 230 pocz. 46 -54 0C pocz. 72 0C do 250 0C dest. %, nw 65 45 61 19 do 350 0C dest. %, nm 80 87 95 74 -89 76 Temperatura krzepnięcia, nw -20 zima -30 -13 +3 --- -18 -6 temp. płyn. Zanieczyszcz. mechan w %.,nw 0,05 brak brak 0,005 Zawartość wody w %, nw 0,1 440 ppm 560 ppm 438 ppm Zawartość siarki w %, nw 0,3 0,289 0,283 0,007 39 ppm Pozostałość po koksow. %, nw 0,2 0,06 --- brak
Pozostałość po spopiel. %, nw 0,1 0,006 --- brak Odczyn wyciągu wodnego obojętny --- --- --- Wartość opałowa kJ/kg 41 500 42 300 42 500 42 900 40 600 Indeks cetanowy, nm bez norm 56,2 42,5 46 Lepkość kinemat. w 20 0 C w cst. 4,0 – 8,0 7,90 2,36 1,37 – 4,80 Lepkość kinemat. w 40 0C w cst. --- 4,53 --- 1,45 – 2,49 6,29 Temperatura zapłonu w 0C, nm 56 60 20 0 - 20 32 Temp.zamarzania filtra w 0C, nw bez norm -9 -10 0 --- -14
Użyty tutaj termin „samolikwidacja” oznacza, że układ jest samowystarczalny w sensie energetycznym i surowcowym oraz że może stanowić jednostkę autonomiczną.
Agregat prądotwórczy można zasilać również innymi paliwami gazowymi lub/i ciekłymi pozyskiwanymi z innych grup odpadów : z odpadowych tworzyw sztucznych, z odpadowej biogliceryny, zużytych opon samochodowych, itd. (tabela 1). Rozwiązanie takie zwiększa efektywność energetyczną pracy reaktora RCM.
W prezentowanym układzie agregat prądotwórczy nie musi być zespołem prądotwórczym wyposażonym w silnik gazowy lub/i silnik diesla. W zależności od przyjętych rozwiązań szczegółowych może nim być turbina parowa, zespół prądotwórczy oparty na silniku Ster-linga lub ogniwo paliwowe wodorowe lub na gaz syntezowy.
Ostatecznie skład gazów poreakcyjnych umożliwia w znanych i stosowanych procesach syntez organicznych wytwarzanie z nich alkoholu metylowego CH3OH. Alkohol ten jest
najbogatszym nośnikiem paliwa wodorowego i może być ekologicznym komponentem paliw ciekłych i paliwem dla najnowszej generacji ogniw paliwowych.
Rysunek 2. Schemat ideowy struktury układu „samolikwidacji” odpadów.
4. Reaktor RCM i Agregat Prądotwórczy w przykładowym układzie
„samoli-kwidacji” odpadów komunalnych
Funkcjonowanie układu „samolikwidacji” odpadów komunalnych, wyposażonego w Reak-tor RCM i Agregat Prądotwórczy (jak na rys. 2), zostanie rozpatrzone na przykładzie 500 kg tych odpadów pozbawionych części metalowych i ceramicznych, o wartości opałowej 2 kWh/t, o składzie pierwiastkowym i masie w przybliżeniu:
C – 54% 270 kg H2 – 7% 35 kg
O2 – 38% 190 kg Inne – 1% 5 kg
w obecności 600 kg wody o składzie pierwiastkowym i masie w przybliżeniu : H2 – 11% 66 kg O2 - 89% 534 kg
Całkowita masa : węgla pierwiastkowego C = 270 kg, tlenu pierwiastkowego O2 = 724 kg,
wodoru pierwiastkowego H2 = 101 kg.
Proces recyklingu molekularnego można prowadzić tak, że w gazie poreakcyjnym gazami dominującymi są : CO2 i H2.
Węgiel organiczny utleniając się tlenem z wody jest źródłem ciepła 9 126 MJ zgodnie z reakcjami :
C + O2 = CO2
1 kg C + 2,67 O2 = 3,67 CO2 + 33,8 MJ
270 kg C + 721 kg O2 = 991 kg CO2 + 9 126 MJ
Wodór zaś, spalany poza reaktorem, jest źródłem energii 12 120 MJ zgodnie z reakcjami : 2H2 + O2 = 2 H2O
1 kg H2 + 8 kg O2 = 9 kg H2O + 120 MJ
101 kg H2 + 808 kg O2 = 909 kg H2O + 12 120 MJ
Łączna produkcja energii zatem to : 9 126 MJ + 12 120 MJ = 21 246 MJ = 5,9 MWh. Przyjmując sprawność odbioru i przekazywania ciepła na poziomie 0,86 otrzymuje się wielkość użytecznej energii cieplnej równej 5,074 MWh. Ciepło to, ze sprawnością 35%, można przetworzyć w spalinowych lub parowych agregatach prądotwórczych na energię elektryczną o wielkości 1,776 MWh, a więc większą niż energia generowana w ciągu go-dziny przez zasilacz reaktora o mocy 1,5 MW.
W powyższych rozważaniach należy uwzględnić fakt, że co prawda energia termicznego rozpadu wody w temperaturze 2 100 0C jest równa energii wydzielanej w procesie syntezy wody (pomijając straty energii), ale w obecności węgla organicznego, który w tym przy-padku jest katalizatorem procesu rozpadu wody na molekuły składowe, ten proces rozpadu wody przebiega już w temperaturach począwszy od 850 0C.
Bilans materiałowo – energetyczny związany z pracą reaktora RCM można analizować również od strony ciepła unoszonego przez gorące gazy poreakcyjne. W tej analizie ważne jest ciepło właściwe Cp składników gazów poreakcyjnych przy stałym ciśnieniu :
Cp wyrażone w J/kg K w temperaturze 20 0C CO2 837 O2 913 Powietrze 1 000 N 1 030 H2 14 300
Gazy są środowiskiem nieliniowym i zmieniają swoje ciepło właściwe wraz z temperaturą : tlen : Cp(O) = (8,27+0,000258 · T)
c a l K m o l
1 .
tlenek węgla : Cp(CO) = (6,6 + 0,0012 · T)
c a l K m o l
dwutlenek węgla : Cp(CO2) = (10,34 + 0,00274 · T)
c a l K m o l
1 .
para wodna : Cp(H2O) = (8,22 + 0,00015 · T + 0,00000134 T2)
c a l K m o l
1 .
gdzie : temperatura procesu 1 500 0C, zaś T = 1 773 K.
Biorąc pod uwagę fakt, że gazy poreakcyjne mają temperaturę 1 500 0C i że składają się tylko z dwutlenku węgla w ilości CO2 ~ 991 kg i wodoru w ilości H2 ~ 101 kg oraz
uwzględniając ciepło właściwe tych gazów jak podano powyżej, uzyskuje się ilość ciepła unoszonego przez CO2 równą 0,6 MWh i ilość ciepła unoszonego przez H2 także równą 0,6
MWh. Łączna ilość ciepła unoszonego przez gazy poreakcyjne – 1,2 MWh. W praktyce gazy poreakcyjne będą zawierały także pewną niewielką ilość powietrza, które będzie się dostawać do reaktora wraz z odpadami, pewną niewielką ilość nadmiarowej ilości pary wodnej, itd. Dlatego też można przyjąć, że ciepło unoszone przez gazy poreakcyjne to 1,5 MWh. Ciepło to nie uwzględnia ciepła odzyskanego ze spalania wodoru.
Osobno należałoby przeprowadzić analizę pracy reaktora tak prowadzonego, że gazy pore-akcyjne byłyby bogate w CO i H2. Analiza pracy reaktorów RCM jest skomplikowana. Musi ona bowiem uwzględniać zarówno skład pierwiastkowy wsadu do reaktora, przebieg procesów fizycznych, nieliniowe właściwości gazów poreakcyjnych, reakcje zachodzące pomiędzy składnikami tych gazów, rozkład temperatury, konstrukcję reaktora, sposób pro-wadzenia procesu, itd. Reaktor RCM czeka na opracowanie teorii działania.
Na podstawie dotychczasowej analizy można stwierdzić, że w procesie recyklingu moleku-larnego odpadów komunalnych bilans energii netto jest bliski zeru. Zaletą jednak tego rozwiązania jest bezodpadowa likwidacja odpadów. Bilans energii staje się jednak dodatni, jeśli do zasilania Agregatu Prądotwórczego zasilającego Reaktor RCM zastosuje się paliwa alternatywne pozyskane z innych odpadów [4]. Pozyskując do recyklingu molekularnego odpadów odpady o większej niż odpady komunalne kaloryczności uzyskuje się dodatni bilans energii netto procesu.
Proces rozkładu molekularnego materii odpadowej prowadzi się w temperaturach 1 400 – 1 500 0C, gdyż dopiero w tych temperaturach rozkładają się na molekuły najtrwalsze związki organiczne. Przy swobodnym spalaniu odpadów komunalnych o wartości opałowej 2 MWh/t nie da się uzyskać spalin o temperaturze wyższej niż 700 0C, a w tych temperatu-rach w spalinach obecny jest jeszcze cały „bukiet węglowodorów” jako substancji szkodli-wych dla atmosfery.
Na całkowitą destrukcję materii organicznej o masie 1 kg potrzeba 1,0 – 1,5 kWh energii. Jeśli zgodnie z przyjętym założeniem w 1 kg tej materii jest 0,54 kg węgla organicznego, to przy jego spaleniu, zgodnie ze wzorem : 0,5 kg C + 1,44 kg O2 = 1,98 kg CO2 + 5,1 kWh,
wydziela się energia cieplna w wielkości 5,1 kWh. Jest ona większa niż energia destrukcji materii organicznej. W warunkach rzeczywistych jest to jednak ciepło niskotemperaturowe. Stąd też potrzeba, w celu osiągnięcia celów ekologicznych, użycia technologii wysokotem-peraturowych.
5. Reaktor RCM i Ogniwo Paliwowe w przykładowym układzie
„samolikwi-dacji” odpadów szpitalnych
Przyjmując, jak poprzednio, 500 kg odpadów szpitalnych do przetwarzania, o wartości opałowej 8 kWh/t, o składzie pierwiastkowym i masie składników w przybliżeniu :
C – 54% 270 kg, O2 – 38% 190 kg, H2 – 7% 35 kg, Inne – 1% 5 kg,
w obecności 633,25 kg wody o składzie pierwiastkowym i masie w przybliżeniu : H2 – 11% 37,25 kg, O2 - 89% 596 kg, uzyskuje się całkowitą masę :
węgla : C = 270 kg, tlenu : O2 = 721 kg i wodoru pierwiastkowego : H2 = 137,25 kg.
Proces recyklingu molekularnego można prowadzić tak, że w gazie poreakcyjnym gazami dominującymi są : CO2 i H2.
Węgiel organiczny utleniając się tlenem z wody jest źródłem ciepła 2,535 MWh, zgodnie z reakcją : 270 kg C + 721 kg O2 = 991 kg CO2 + 9 126 MJ (2,535 MWh)
Wodór zaś, spalany poza reaktorem, jest źródłem energii 4,575 MWh zgodnie z reakcją : 137,25 kg H2 + 1098 kg O2 = 1235,25 kg H2O + 16 470 MJ (4,575 MWh)
Łączna produkcja energii zatem to : 2,535 MWh + 4,575 MWh = 7,11 MWh.
Ciepło ze spalania węgla odbiera się w procesie studzenia gazów poreakcyjnych bogatych w CO2 i H2, po czym gazy te przepuszcza się przez wodny roztwór wodorotlenku potasu
[5] uzyskując w procesie 2KOH + CO2 + H2 = K2CO3 + H2O + H2 :
- węglan potasu K2CO3, krystaliczną sól będąca składnikiem nawozów sztucznych,
- wodę H2O zawracaną do procesu,
- wyizolowany wodór atomowy H2.
W ogniwie paliwowym, ciepło spalania tak otrzymanego wodoru z odpadów, równe w tym przypadku 4,575 MWh, zamienia się w 60% na energię elektryczną prądu stałego, równą w tym przypadku 2,745 MWh, a więc większą niż zużywa w ciągu godziny zasilacz Reaktora RCM. Nadmiar energii elektrycznej można sprzedać na rynku energii jako tzw. „energię zieloną” [6].
6. Posumowanie
Recykling Ciekłometaliczny Molekularny realizowany z wykorzystaniem Reaktorów RCM może być przykładem pierwszej polskiej termicznej bezkominowej i bezodpadowej techno-logii unieszkodliwiania/likwidacji wszelkich odpadów.
Literatura
[1] Marek Pilawski : „Kompleksowy Zintegrowany System Energetycznego Zagospo-darowania Polskich Odpadów Komunalnych”, Warszawa 1998 r.
[2] Marek Pilawski, Zbigniew Pabian, Michał Ziętek : „Sposób i urządzenie do termic-znego i termokatalityctermic-znego przekształcania materii”, Patent nr 187669 z dnia 15.12.1998 r.
[3] Marek Pilawski i inni : „Układ do niszczenia odpadów organicznych i nieorganic-znych”, Zgłoszenie Patentowe nr P-368334 z dnia 13.06.2004 r.
[4] Marek Pilawski i inni : „Wykorzystanie biomasy w lokalnych systemach paliwowo – energetycznych”, IV Międzynarodowa Konferencja : „Paliwa z Odpadów”.
[5] Marek Pilawski : „Wymuszony obieg wodoru z odzyskiem energii”, V Międzynaro-dowa Konferencja Naukowo – Techniczna NT. : „Obieg Pierwiastków w Przyrodzie”, Inst. Ochrony Środowiska, Warszawa 2004, monografia t. II, s. 655-661.
[6] Jacek Zyśk : „Własność odpadów a modelowanie gospodarki odpadami. Kompleksowa gospodarka odpadami”, Odpady i Środowisko (dwumiesięcznik), nr 5(41)2006, s.85-90.
