Bilans pierwiastka wegla w systemie gospodarki odpadami komunalnymi

http://ago.helion.pl ISSN 1733-4381, Vol. 11 (2009), Issue 3, p-27-46

Bilans pierwiastka węgla w systemie gospodarki odpadami komunalnymi Pikoń K., Rejman R.

Politechnika Śląska

Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki

Katedra Technologii i Urządzeń Zagospodarowania Odpadów ul. Konarskiego 18A

tel. +48 32 2371123

e-mail: krzysztof.pikon@polsl.pl

Streszczenie

W artykule przedstawiono obieg pierwiastka węgla w następujących procesach: • procesy biotermiczne (kompostowanie),

• procesy termiczne,

• deponowanie odpadów komunalnych na składowiskach.

Obieg pierwiastka węgla w wymienionych procesach zagospodarowania odpadów stanowi ważne zagadnienie odnośnie wpływu tych systemów gospodarki odpadami na efekt cieplarniany. Wpływ deponowania odpadów komunalnych oraz termicznych procesów nisko- i wysokotemperaturowych na efekt cieplarniany ustalono poprzez określenie emisji gazów cieplarnianych, która jest bezpośrednio związana z obiegiem pierwiastka węgla z uwzględnieniem obiegu krótkiego i długiego.

Abstract

Carbon cycle in Municipal Solid Waste managements In the manuscript following issues are presented: • carbon cycle in bio-thermal processes • carbon cycle in thermal processes • carbon cycle in landfilling

The carbon cycle is very important for evalauation of enviromnetal iumnpact in cglobal warming category. The environmental impact of different waste managfement options on climat change could be describes on the basis of carbon cycle.

1. Wstęp

Przez wiele lat procesy produkcyjne przeprowadzane były bez zwracania uwagi na środowisko naturalne, efektem, czego było wytwarzanie ogromnych ilości odpadów, a szczególnie odpadów komunalnych. Taki sposób prowadzenia polityki, polegający na poświęcaniu środowiska naturalnego na rzecz gospodarki, okazał się niezmiernie krótkowzroczny. Problem został zauważony, gdy w wyniku ekspansywnej działalności człowieka znacznie zwiększyła się emisja gazów cieplarnianych ze źródeł antropogenicznych.

Podczas składowania odpadów komunalnych, czy spalania wszelkiego rodzaju paliwa powstają gazy, które mają wpływ na klimat i wywołują tak zwany efekt cieplarniany. Gazy te posiadają zdolność do pochłaniania (zatrzymywania) energii promieniowania cieplnego Ziemi w większym stopniu niż energii promieniowania cieplnego Słońca, które ma wyższą temperaturę. Wskutek akumulowania energii w atmosferze i w skorupie ziemskiej następuje zachwianie się bilansu energetycznego Ziemi. Konsekwencją tego jest zmiana klimatu i wzrost temperatury. Głównymi gazami cieplarnianymi w gospodarce odpadami są: dwutlenek węgla (CO2) oraz metan (CH4). Dwutlenek węgla jest emitowany podczas spalania paliw kopalnych gdzie energia używana jest w procesach zagospodarowania odpadów oraz bezpośrednio z procesów unieszkodliwiania odpadów. Metan powoduje ponad 20 razy większy efekt cieplarniany niż CO2 [1]. Jest to najprostszy węglowodór alifatyczny, który emitowany jest podczas beztlenowego rozkładu odpadów organicznych zdeponowanych na składowisku odpadów komunalnych. CH4 ze składowisk stanowi największe źródło emisji metanu w Polsce.

Emisja gazów cieplarnianych stanowi ważny środowiskowy aspekt w odniesieniu do strategii i technologii w gospodarce odpadami. Zagadnienia emisji gazów cieplarnianych nie odnoszą się tylko do systemu gospodarki odpadami, ale także do innych gałęzi przemysłu. Źródłem emisji gazów cieplarnianych w gospodarce odpadami jest:

• użycie energii bazującej na paliwach kopalnych,

• emisja z procesów unieszkodliwiania odpadów bogatych w węgiel,

• wytwarzanie energii z odpadów komunalnych w celu zastąpienia energii opartej na innych paliwach ,

• proces który oszczędza energie i pierwotne surowce podczas recyklingu.

Jedną z ważnych dziedzin zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych jest ograniczenie ilości odpadów oraz pełniejsze zagospodarowanie zgromadzonych i powstających na bieżąco odpadów, przy równoczesnym uwzględnieniu możliwości pozyskiwania surowców wtórnych i ochrony środowiska. Są to kluczowe problemy w skali całej Polski.

2. Obieg pierwiastka węgla w systemie gospodarki odpadami komunalnymi

Naturalny obieg węgla występujący w przyrodzie istnieje od milionów lat. Związany jest on z naturalnymi procesami zachodzącymi na Ziemi. Cykl obiegu węgla ma duży wpływ na Ziemię w skali zarówno globalnej jak i lokalnej. W skali globalnej, cykl obiegu węgla

wpływa na klimat na Ziemi regulując ilość dwutlenku węgla – główny gaz cieplarniany – w atmosferze. Ekosystemy lądowe magazynują równie dużo węgla co atmosfera. Sprawia to, że roślinność i gleby odgrywają istotną rolę w regulowaniu klimatu. Cykl obiegu węgla jest również kluczowym czynnikiem utrzymującym równowagę w systemach ekologicznych. Bierze on udział w podstawowych procesach ekologicznych takich jak wzrost roślinności, akumulację substancji, obumieranie oraz gnicie szczątków roślinnych.

Obieg węgla w gospodarce odpadami stanowi ważne zagadnienie odnośnie wpływu poszczególnych systemów gospodarki odpadami komunalnymi na zmiany klimatyczne. Do tych systemów zaliczamy składowanie, kompostowanie, oraz procesy termiczne. Emisja CO2 oraz CH4 z procesów unieszkodliwiania odpadów ściśle związana jest z odpadami bogatymi w węgiel (np. papier, odpady zielone, resztki jedzenia, tworzywa sztuczne). Oczywiście węgiel może być emitowany z gospodarki odpadami w formie różnych gazów, jednak skupiono się tutaj głównie na emisji CO2 i CH4 które budzą największe kontrowersje odnośnie emisji gazów cieplarnianych i mają potencjalny wpływ na zmiany klimatyczne na świecie. Omawiając obieg węgla związany z gospodarką odpadami komunalnymi należy wyróżnić dwa cykle obiegu węgla.

Analizując obieg krótki należy wybiec poza obszar obejmujący gospodarkę odpadami. Przykładem mogą być drzewa. W wyniku procesu fotosyntezy drzewa pobierają i absorbują dwutlenek węgla, który gromadzą w formie celulozy. Uznaje się wtedy, że węgiel ulega sekwestracji (przechodzi z krótkiego obiegu w długi). Z drugiej strony, kiedy drzewa ulegają rozkładowi w warunkach naturalnych lub są przetwarzanie czy spalane, węgiel ponownie jest uwalniany do atmosfery w postaci CO2 – przechodzi do naturalnego cyklu obiegu węgla. Dla takiego krótkiego obiegu węgla emisja równoważy się z absorpcją – brak potencjalnego wpływu na globalne ocieplenie. Jeżeli emisja występuje w formie CH4, (wzrost koncentracji w atmosferze związany z antropogeniczną działalnością człowieka) stanowi wtedy wyższy potencjał globalnego ocieplenia niż CO2 – zaliczana do emisji gazów cieplarnianych.

Istotne znaczenie w aspekcie globalnego ocieplenia stanowi sekwestracja węgla (węgiel z krótkiego cyklu przechodzi w długi cykl) definiowania jako [2]:

„ wychwycenie CO2 ze źródeł emisji i jego trwałe zmagazynowanie”. W gospodarce odpadami występują dwa takie przypadki:

• składowanie odpadów biodegradowalnych, • wykorzystanie kompostu.

W obydwu przypadkach sekwestracja ma znaczenie, ponieważ trwale usuwa węgiel z naturalnego cyklu obiegu pierwiastka węgla, zmniejszając emisje gazów szklarniowych. Uznaje się, że ilość węgla, która nie ulegnie rozkładowi w przeciągu stu lat przechodzi do długiego obiegu.

2.1. Kompostowanie

Schemat obiegu pierwiastka węgla w procesie kompostowania przedstawiono na rysunku 2.1.

Kompostowanie polega na niskotemperaturowym tlenowym rozkładzie substancji organicznej z udziałem mikroorganizmów [3]. Podobnie jak składowanie czy spalanie kompostowanie należy do klasycznych metod przeróbki odpadów. Jest to metoda uzasadniona z punktu widzenia ekologii, ponieważ około 40% [4] całkowitej masy odpadów komunalnych stanowią składniki organiczne bogate w pierwiastek węgla, które ponownie wprowadzane są do naturalnego obiegu materii (sekwestracja węgla w glebie). Ponadto eliminuje niekorzystne skutki jakie mają miejsce w technologii unieszkodliwiania odpadów na składowiskach (odcieki zanieczyszczające wody gruntowe, gaz składowiskowy), a także w technologii spalania (dioksyny, furany, żużle z zawartością metali ciężkich i popiół). Odpady przeznaczone do kompostowania powinny składać się w przewadze z biodegradowalnych organicznych substancji i zawierać możliwie małe ilości szkodliwych zanieczyszczeń. Warunkiem prawidłowego procesu kompostowania jest wstępna segregacja odpadów komunalnych w celu uzyskania kompostu wolnego od metali ciężkich i o pożądanej zawartości substancji biogennych.

Rysunek 2.1. Obieg pierwiastka węgla w procesie kompostowania Najważniejsze grupy odpadów przydatnych do kompostowania to [4]:

• odpady biologiczne (gromadzone selektywnie odpadki kuchenne i ogrodowe), • odpady z ogrodów i parków,

• komunalno podobne odpady z przemysłu i rzemiosła, odpady z kuchni, • organiczne pozostałości przemysłu spożywczego,

• osady z oczyszczalni ścieków.

Udział tych grup odpadów w ogólnej masie odpadów powstających w Republice Federalnej Niemiec wynosi od 50 do 60%.

Gdy kompostowanie nie jest poprzedzone wstępną segregacją, wówczas masa będzie zawierać zbędny balast w postaci substancji nie podlegających biodegradacji, jak: plastiki, kamienie czy szkło, ale przede wszystkim zawierać będzie metale ciężkie z odpadowych baterii, świetlówek, itp. Dyskwalifikuje to wówczas kompost do celów wspomagania upraw rolnych ponieważ udział metali ciężkich w kompoście przekracza ilości naturalne występujące w glebach. Kompost zawierający duże ilości metali ciężkich może być wykorzystywany do rekultywacji składowisk odpadów.

Kompostowanie jako metoda oparta na naturalnych reakcjach biochemicznych przebiegających w glebie (mineralizacja, humifikacja) jest procesem biotermicznym, który zachodzi w dwóch fazach [5]:

• Faza I – kompostowanie termofilowe nazywane też kompostowaniem intensywnym lub fazą wysoko temperaturową,

• Faza II – kompostowanie mezofilowe nazywane również dojrzewaniem. Czas przebiegu faz zależy od składu kompostowanej biomasy i stosowanej technologii. Mineralizacja tlenowa jest procesem egzotermicznym, a intensywność rozkładu zależy od podatności związków na rozkład. Bardzo łatwo ulegają rozkładowi tłuszcze, większość cukrów (w tym skrobia) i białek; trudniej hemicelulozy i celuloza. Natomiast lignina oraz białka z grupy skleroproteidów (np. keratyna) są bardzo oporne na rozkład. W fazie kompostowania intensywnego temperatura może przekroczyć nawet 70oC. Faza ta ma kluczowe znaczenie dla procesów higienizacji (unieszkodliwienie materiału pod względem sanitarno- epidemiologicznym).

Gotowy kompost to materiał bogaty w związki organiczne i pierwiastki biogenne, jak węgiel. Kompost przyczynia się do wzrostu zawartości humusu oraz odporności gleby na erozję. Poprawia ponadto strukturę gleby, pojemność cieplną i zdolność zatrzymywania wody oraz stanowi zapas składników pokarmowych dla roślin.

Do zalet metody kompostowania należy zaliczyć [5]:

• możliwość recyrkulacji znaczących ilości odpadów ulegających biodegradacji, • unieszkodliwienie odpadów pod względem sanitarno-epidemiologicznym,

• zmniejszenie ilości odpadów ulegających biodegradacji kierowanych na składowiska, • dostępność (techniczna i ekonomiczna) oraz stosunkowo łatwa w eksploatacji.

2.1.1. Potencjalna sekwestracja pierwiastka węgla w glebie

Gleba jest to wierzchnia warstwa litosfery, która w wyniku licznych procesów tworzy się na styku trzech warstw: atmosfery, hydrosfery i biosfery z litosferą. Gleba stanowi naturalny filtr wód podziemnych, główne źródło wody pitnej, siedlisko dla różnorodnych organizmów żyjących w i na glebie. Nawożenie gleb ma na celu zapobieganie i łagodzenie degradacji gleby. Prowadzi to do zwiększonej sekwestracji pierwiastka węgla i może w związku z tym przyczynić się do złagodzenia zmian klimatycznych. W publikacji [6] przedstawiono badania odnośnie sekwestracji pierwiastka węgla. Badania polegały na dodaniu do gleby 1 Mg gotowego kompostu o zawartości pierwiastka węgla równą 8,2 %.

Wyniki przeprowadzonego doświadczenia stwierdzają wyraźnie, że po upływie 40 lat (skala czasu przeprowadzanych badań):

• 91,2 % pierwiastka węgla ulega mineralizacji do CO2, • pozostałe ~8 % ulega trwałej sekwestracji w glebie.

2.1.2. Potencjalna emisja gazów cieplarnianych w trakcie kompostowania

Potencjalna emisje gazów cieplarnianych z procesu kompostowania to emisja CH4 z beztlenowego rozkładu biomasy i antropogeniczna emisja CO2 ze zbiórki i transportu odpadów organicznych do kompostowni oraz z mechanicznego obracania kompostu w pryzmach. Kompost jest również źródłem emisji biogenicznego CO2 z procesów rozkładu, który po procesie kompostowania trafia jako nawóz do gleby. Ponieważ emisja CO2 trafia ponownie do naturalnego cyklu obiegu węgla nie jest zaliczana jako emisja gazów cieplarnianych.

Badania odnośnie emisji CH4 przeprowadzono w Amerykańskiej Agencji Ochrony Środowiska (US EPA) [7]. Według EPA przy optymalnych warunkach procesu kompostowania:

• wilgotność odpadów w zakresie 40 - 60 %,

• stosunek węgla do azotu w składzie chemicznym odpadów: C/N < 30, • temperatura procesu do 65oC.

generowanie metanu nie ma miejsca ponieważ występują tylko aerobowe procesy biochemiczne. Badacze zauważyli również, że nawet jeśli CH4 jest wygenerowany w beztlenowych kieszeniach w pryzmie, to kiedy dociera do warstwy bogatej w tlen ulega utlenieniu do CO2. W tabeli 2.1. przedstawiono emisje gazów cieplarnianych z procesu kompostowania odpadów organicznych.

Tabela 2.1. Emisja z procesu kompostowania (kg CO2ekw/Mg odpadów) [6] Kopalne CO2 Odpad organiczny Obieg krótki CO2 [GWP1) = 0] Proces Użyta energia Uniknięta (energia, materiały) Transport Obieg krótki C sekwestracja [GWP1)=1] Emisja CH4[GWP1)=23] Strumień całkowity GWP1) papier 1144 0 13 -36 8 -22 0 -37 resztki jedzenia 670 0 13 -36 8 -22 0 -37

1)Wskaźnik GWP (ang. Global Warming Potential) określa zdolność danego gazu cieplarnianego do zatrzymywania ciepła w atmosferze w odniesieniu do dwutlenku węgla (CO2), traktowanego jako punkt odniesienia.

2.2. Procesy termiczne

Procesem termicznym w pojęciu naukowym rozumieć należy przemianę lub zbiór przemian określonych parametrami termicznymi (p, t, v) przebiegającą w określonym środowisku (procesy: tlenowy , beztlenowy) przy współudziale różnych stymulatorów (organizmy żywe – procesy biotermiczne, katalizatorów itp.) [8]. Z procesem termicznym związane jest zjawisko przypływu ciepła, który dzieli ten proces na egzotermiczny (ciepło wydzielane podczas reakcji chemicznych przekształcanego materiału) i endotermiczny (ciepło dostarczane z zewnętrznych źródeł).

2.2.1. Piroliza

Pirolizą odpadów określa się termiczne rozbicie bez dostępu tlenu odpadów zawierających substancje organiczne w zakresie temperatur ok. 459-900oC [8]. W zależności od wysokości temperatury procesu rozróżnia się pirolizę niskotemperaturową (w przypadku przeróbki paliw węglowych procesu zwaną potocznie wytlewaniem, temperatura ok. 450-700oC) oraz wysokotemperaturową (koksowanie, temp. ok. 900-1100oC). Gdy proces ten dotyczy rozkładu substancji stałych nazywany jest odgazowaniem, w przypadku rozkładu paliw ciekłych bądź gazowych – krakowaniem (krakingiem). W zależności od przebiegu procesu rozróżniamy pirolizę powolną (szybkości przyrostu temperatury od kilku do kilkunastu K/min) oraz pirolizę szybkościową (szybkości przyrostu temperatury od kilkudziesięciu do nawet kilkudziesięciu tysięcy K/min) [9]. Należy pamiętać, iż piroliza jest zawsze pierwszym etapem termicznej konwersji podczas spalania czy zgazowania, jednak w tych procesach w dalszej kolejności następuje odpowiednio pełne lub częściowe utlenienie produktów wstępnego rozkładu.

Obieg pierwiastka węgla w procesie pirolizy przedstawiono na rysunku 2.2.

Rysunek 2.2. Obieg pierwiastka węgla w procesie pirolizy odpadów komunalnych Produktami pirolizy substancji organicznej są najczęściej [9]:

• gaz pirolityczny, który zawiera zwykle: CO2, CO, CH4, CnHm, H2, H2S, pył i inne śladowe zanieczyszczenia,

• frakcja ciekła, wodno-smołowo-olejowa,

• karbonizat, który zawiera również składniki nieorganiczne wsadu poddawanego przeróbce.

Wszystkie produkty procesu pirolizy zawierają pierwiastek węgla i mogą stanowić nośnik energii w termicznym procesie spalania. Na ich skład oraz wydajność procesu wpływa przede wszystkim rodzaj poddanego pirolizie odpadu, a także takie parametry jak: szybkość ogrzewania, temperatury i czas trwania procesu.

2.2.2. Procesy uwęglania ( piroliza beztlenowa, odgazowanie)

Obieg pierwiastka węgla w procesie odgazowania przedstawiono na rysunku 2.3.

Rysunek 2.3. Obieg pierwiastka węgla w procesie odgazowania odpadów komunalnych Proces uwęglania opiera się na zjawisku termicznego rozkładu substancji organicznej (piroliza beztlenowa) i przebiega w zakresie temperatur około 250-900oC bez dostępu tlenu. W procesie tym udział tlenu równy jest ilości tlenu cząsteczkowego w substratach, a stosunek nadmiaru powietrza wynosi λ = 0 [8]. Rozróżnia się dwa procesy uwęglania w zależności od temperatury rozkładu głównej masy materiału:

• niskotemperaturowe, zwane wytlewaniem, • wysokotemperaturowe, zwane odgazowaniem.

Skład i ilość produktów odgazowania zależy od rodzaju paliwa, jego właściwości fizyko-chemicznych, ciśnienia oraz temperatury przebiegu reakcji. Niezależnie od rodzaju odgazowywanego paliwa oraz niezależnie od ciśnienia i temperatury, w której proces przebiega, otrzymuje się w wyniku trzy rodzaje produktów [10]:

• sztuczne paliwo stałe - (karbonizat, półkoks, koks pirolityczny) zawierające węgiel, substancje inertne, metal, niewiele części lotnych lub praktycznie zupełnie ich pozbawione,

• produkty ciekłe - w postaci różnego rodzaju smoły, wody pogazowej powstałej z wilgoci paliwa (mogą być też w postaci benzyny lub surowego benzolu),

• gaz palny (tzw. gaz pirolityczny) - w rozmaitej ilości i jakości, w zależności od rodzaju użytego paliwa i warunków prowadzenia procesu, zwłaszcza w zależności od jego końcowej temperatury .

Podczas procesu uwęglania (odgazowania) zachodzą reakcje homogeniczne w fazie stałej oraz w fazie gazowej, a także reakcje heterogeniczne na granicy faz stałej i gazowej. Jako główne reakcje w fazie gazowej przyjąć można [8]:

CmHn → x·CH4 + y·H2 + z·C (2.1)

CH4 + H2O → CO + 3 H2 (2.2)

m, n, x, y, z – współczynniki rozdziału, a w fazie stałej:

C + H2O → CO + H2 (2.3)

C + CO2 → 2 CO (2.4)

4 H2 + CO2 → CH4 + H2O (2.5)

CO + H2O → CO2 + H2 (2.6)

2.2.3. Procesy spopielania

Procesy spopielania stanowią grupę procesów termicznej degradacji odpadów komunalnych i mogą przebiegać z niedomiarem tlenu jak i przy jego nadmiarze. Podział ich obejmuje proces zgazowania i spalania. Oba procesy przebiegają przy udziale pirolizy. W procesie zgazowania piroliza ma decydująca przewagę nad utlenianiem, odwrotnie niż w procesie spalania.

2.2.3.1. Zgazowanie

Rysunek 2.4. Obieg pierwiastka węgla w procesie zgazowania odpadów komunalnych Zgazowanie paliwa polega na niecałkowitym, lecz zupełnym utlenieniu paliwa stałego oraz wytworzeniu paliwa gazowego, odbywa się w generatorach gazu (czadnicach). Proces z uwagi na podstechiometryczną obecność tlenu nazywany jest półspalaniem lub pirolizą tlenową [8]. Podobnie jak w przypadku pirolizy, zgazowanie zachodzi w podwyższonej temperaturze, ale wprowadzony gazowy czynnik reaguje z gazami pirolitycznymi oraz karbonizatem, powodując, że palnymi produktami procesu są tylko gazy procesowe, natomiast stała pozostałość jest jedynie substancją mineralną [9]. W typowym generatorze gazu materiał zgazowany zsuwa się z góry w dół przechodząc kolejno przez strefę suszenia i odgazowania, strefę redukcji i w końcu spalania. Czynnikiem zgazowującym może być powietrze, tlen, para wodna, węglowodory lub dwutlenek węgla [8].

Podział procesów zgazowania ze względu na temperaturę występującą w strefie spalania obejmuje procesy [8]:

• średniotemperaturowe – przebiegające przy temperaturze 1000-1200oC, w wyniku których powstające produkty stałe mają postać popiołu stałego i znajdują zastosowanie głównie jednostkach o mniejszej skali;

• wysokotemperaturowe – przebiegające przy temperaturze 1400-1650oC, gdzie produktem stałym jest granulat stopionego żużla praktycznie pozbawiony pozostałości węglowej i gwarantujące lepszą wydajność, lepszą jakość uzyskanego gazu i lepszy stopień rozłożenia paliwa.

Produktami zgazowania są substancje stałe – pozostałość mineralna w formie żużla – oraz użyteczne produkty gazowe i ewentualnie ciekłe. Powstające paliwo gazowe składa się ze składników palnych (CO, H2) oraz z balastu (CO2, N2, H2O), mogą w nim również występować niewielkie ilości innych węglowodorów (CH4). Zastosowanie gazu może być różnorodne – najczęściej jako paliwo lub jako gaz syntezowy wielu procesów chemicznych [8].

Pomimo różnorodności zgazowanych paliw stałych, w procesie zgazowania biorą udział, poza azotem, tylko trzy główne pierwiastki: C, H2 i O2. Reakcje chemiczne zachodzące w tym procesie można podzielić na endotermiczne oraz na egzotermiczne [8, 9]. Wśród reakcji egzotermicznych najważniejsze to:

utlenianie węgla

C + O2 → CO2 (2.7)

C + ½ O2 → CO (2.8)

tworzenie metanu: C + 2 H2 → CH4 (5.9)

homogeniczna reakcja gazu wodnego:

CO2 + H2 → CO + H2O (2.10)

reakcja Boudouarda zwana także reakcją gazu generatorowego

C + CO2 → 2 CO (2.11)

heterogeniczna reakcja gazu wodnego

C + H2O → CO + H2 (2.12)

Systemy zgazowania można podzielić w zależności od sposobu dostarczania energii na pokrycie endotermicznych reakcji zgazowania – może się to odbyć poprzez wykorzystanie ciepła reakcji egzotermicznych (procesy autotermiczne) lub też poprzez doprowadzanie energii z zewnątrz (procesy alotermiczne).

2.2.3.2. Spalanie

Obieg pierwiastka węgla obejmującego proces spalania przedstawiono na rysunku 2.5.

Rysunek 2.5. Obieg pierwiastka węgla w procesie spalania odpadów komunalnych

Spalanie jest procesem termicznym przebiegającym powyżej temperatury zapłonu substancji organicznej (temperatura zapłonu jest własnością materiałową) przy określonym nadmiarze tlenu (λ≥1) [8]. Z termodynamicznego punktu widzenia procesy spalania podzielić można na:

• spalanie całkowite i zupełne – w produktach spalania nie występują stałe składniki palne (cząstki paliwa stałego) oraz gazy palne ( CO, CH4, H2),

• niecałkowite i niezupełne – w produktach spalania występują stałe składniki palne oraz gazy palne,

a także ich kombinacje, tj. niecałkowite i zupełne oraz całkowite i niezupełne.

Czynnikami decydującymi o przebiegu procesu spalania są m.in. parametry procesu (współczynnik nadmiaru powietrza, temperatura spalania), właściwości paliwa (zawartość części mineralnych i wilgoci, wartość opałowa, temperatura zapłonu), a także specyficzne własności komory spalania (charakterystyka energetyczna). Największy wpływ na proces spalania paliw w stanie stałym, mają niewątpliwie ilość i sposób dostarczania powietrza do spalania oraz możliwość jego równomiernego wymieszania z paliwem. Ta ostatnia cecha jest zależna głównie od rozmiaru ziaren paliwa i sposobu ich wymieszania z powietrzem. Z tego punktu widzenia można rozróżnić kilka sposobów spalania paliw stałych [9]:

• spalanie paliwa w postaci pyłu,

• spalanie ziaren na ruszcie nieruchomym, • spalanie ziaren na ruszcie ruchomym,

• spalanie paliwa po uprzednim jego odgazowaniu ( piroliza), • spalanie fluidalne.

W każdym z tych przypadków podstawowym procesem jest spalanie pojedynczego ziarna a różnice wynikają z różnych właściwości paliwa, rozmiarów ziaren oraz z warunków panujących w ośrodku otaczającym to ziarno.

Podczas procesu spalania na granicy ziarna i gazu występują równolegle lub w pewnej sekwencji procesy fizyczne i chemiczne, które można podzielić na następujące procesy składowe [1]:

• suszenie, • odgazowanie, • zapłon, • spalanie,

• chłodzenie stałej pozostałości.

Niektóre z tych procesów przebiegają jeden za drugim (np. suszenie i odgazowanie), natomiast inne przebiegają równolegle (np. nagrzewania, odgazowanie i utlenianie części lotnych). Złożoność i ilość tych procesów uniemożliwia ich dokładne opisanie matematyczne, w celu ich przedstawienia wykorzystuje się modele matematyczne, zakładające mniejsze lub większe uproszczenia rzeczywistych zjawisk.

Suszenie ziaren zachodzi od temperatury otoczenia do ok. 100oC lub nieco powyżej. Przebieg tego procesu zależy w dużym stopniu od rodzaju paliwa i jego wilgotności (wilgoć zawarta w odpadach absorbuje ciepło na odparowanie, obniżając przez to temperaturę spalin). Na szybkość suszenia wpływa także temperatura gazu w komorze spalania i szybkość nagrzewania paliwa [9].

Odgazowanie jest procesem wstępnym przed właściwym spalaniem paliwa, dla materii organicznej zaczyna się w temperaturze ok. 250oC, dla węgla – ok. 300-400oC, a kończy

przy ok. 700-900oC. Skład uwalnianych podczas odgazowanie części lotnych nie jest stały i dla danego paliwa zależy od temperatury odgazowania. Początkowo wydzielany jest dwutlenek węgla i para ze związanej chemicznie wody, przy wyższych temperaturach są to głównie węglowodory o różnym stopniu złożoności, zaś w górnym zakresie temperatur wydziela się tlenek węgla i wodór. Ilości i właściwości części lotnych odgrywają istotną rolę w procesie zapłonu oraz spalania paliwa czy odpadów, jeśli nie zostaną one utlenione w powietrzu dostarczonym do spalania uchodzą z produktami spalania lub też w przypadku cięższych frakcji po ochłodzeniu skraplają się, dając ciekłe produkty odgazowania. Pozostałością po odgazowaniu jest karbonizat zawierający pierwiastek węgiel, części mineralne i nieodgazowane węglowodory, których ilości maleje ze wzrostem temperatury [9].

Zapłon podgrzewanego paliwa jest procesem złożonym i trudnym, głownie z powodu istnienia dwóch substancji palnych – gazowych części lotnych i stałego karbonizatu. W obecności tlenu z powietrza części lotne zapalają się w temperaturze 500-600oC, a w innej temperaturze zapaleniu ulega karbonizat. Dlatego dla paliwa stałego, zawierającego części lotne, charakterystyczne są dwa procesy i dwie temperatury zapłonu [9]:

• samozapłon i temperatura samozapłonu części lotnych, • samozapłon i temperatura samozapłonu karbonizatu.

Spalanie części lotnych jest procesem homogenicznym, zależnym od składu i ilości tlenu – spalaniu ulegają głównie węglowodory i tlenek węgla. Z kolei spalanie karbonizatu jest procesem heterogenicznym, zachodzącym na powierzchni ziarna, obejmującym prawie wyłącznie reakcje utleniania pierwiastka węgla i redukcji dwutlenku węgla. Są to reakcje pierwszego rzędu, takie jak:

C + O2 → CO2 (2.13)

C + ½ O2 → CO (2.14)

C + CO2 → 2 CO (2.15)

C + H2O → CO +H2 (2.16)

Powstający tlenek węgla i wodór są następnie utleniane w głównym strumieniu gazów zawierających tlen. Zarówno spalaniu części lotnych, jak i spalaniu karbonizatu towarzyszy wydzielenia ciepła, którego ilość wynika z ich wartości opałowej [1].

Popiół powstaje jako rezultat topienia się i częściowo odparowania składników mineralnych zawartych w paliwie. Intensywność tych procesów zależy od rozmiaru cząstek mineralnych, ich właściwości fizycznych oraz od warunków wymiany ciepła. Rezultatem mięknięcia i topienia się części mineralnych jest spiekanie się popiołu w temperaturze 650-o

C. Powyżej 1400oC zachodzi całkowite płynięcie popiołu i tworzenie się żużla [1].

2.2.3.2.1 Potencjalna emisja gazów cieplarnianych

Oddziaływanie procesu spalania na środowisko naturalne jest tym większe im więcej paliw jest spalane na jednostkę energii produkowanej oraz im gorszej jakości jest paliwo. Największy wpływ na emisję szkodliwych produktów ma przebieg samego procesu

spalania oaz zastosowane instalacje do oczyszczania spalin. Dotyczy to takich produktów jak popiół, SO2, NOx, i inne [9]. Nie dotyczy to jednak emisji dwutlenku węgla, która wyłącznie zależy od rodzaju paliwa. Mówiąc wprost im więcej pierwiastka węgla w paliwie, tym większa emisja dwutlenku węgla. Należy więc rozpatrywać różne metody zmniejszania ilości podstawowych paliw energetycznych poprzez uzyskiwanie energii np. ze spalania odpadów komunalnych. Ma to uzasadnienie, ponieważ spalając obecnie paliwa w celu otrzymania energii następuje emisja dwutlenku węgla, a drugiej strony deponowanie odpadów na składowiskach komunalnych powoduje dodatkowo powstawanie gazu składowiskowego (CO2 i CH4) w warunkach beztlenowych przez co efekt cieplarniany jest znacznie większy niż emisja samego dwutlenku węgla.

W publikacji [1] zaprezentowano kilka wariantów zagospodarowania paliwa (dla porównania przyjęto węgiel kamienny) i odpadów dla otrzymania 1 MJ tej samej energii. Obliczono tutaj orientacyjne wartości efektywnej emisji dwutlenku węgla dla następujących wariantów:

spalanie węgla i składowanie odpadów, spalanie odpadów bez spalania węgla,

spalanie gazu składowiskowego bez spalania węgla.

W tabeli 2.2. przedstawiono porównanie wielkości emisji dwutlenku węgla dla rozważanych wariantów

Tabela 2.2. Zestawienie efektywnej emisji dwutlenku węgla [1]

Wariant Emisja CO2 m3n/1 MJ Emisja względna

Spalanie węgla i składowanie odpadów 0,4126 100%

Spalanie odpadów 0,0701 17,0%

Spalanie gazu składowiskowego 0,0508 12,3%

Z danych przedstawionych w tabeli 2.2. jasno wynika, że wykorzystanie energetyczne odpadów komunalnych przyczynia się do zmniejszenia emisji dwutlenku węgla odpowiedzialnego za efekt cieplarniany. Spalanie odpadów pozwala dodatkowo:

• zaoszczędzić pierwotne zasoby naturalne (węgiel kamienny) – nieodnawialne źródła energii,

• zmniejszyć powierzchnie ziemi pod składowiska,

• ograniczyć zagrożenie jakie niesie z sobą deponowanie odpadów komunalnych na składowiskach.

2.3. Składowanie

Deponowanie odpadów na składowiskach jest nieuniknionym elementem każdego systemu gospodarki odpadami komunalnymi. W wielu krajach dawnej UE15 (Wielka Brytania, Irlandia, Hiszpania) składowanie pozostaje najbardziej rozpowszechnioną metodą unieszkodliwiania odpadów komunalnych. W nowych krajach UE, rzadko stosowane są inne metody unieszkodliwiania niż składowanie. W założeniu, zgodnie z Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady Europejskiej 06/12/WE z 5 kwietnia 2006 w sprawie odpadów składowisko przewidziane jest dla deponowania przetworzonych form odpadów, tzn. takich w których wartość opałowa nie przekracza 6 MJ/kg, a zawartość frakcji organicznych nie przekracza 5%. A zatem, metoda ta, obok segregacji u źródeł, powtórnego ich wykorzystania oraz procesów nisko- i wysokotemperaturowej utylizacji, powinna być ostatnim elementem całego systemu gospodarki odpadami, do którego trafiać powinny jedynie odpady z ograniczonym udziałem frakcji biodegradowalnej [11].

2.3.1. Obieg i zatrzymanie węgla na składowisku

Na rysunku 2.6. przedstawiono obieg pierwiastka węgla na składowisku odpadów komunalnych. Węgiel na składowisku ma kilka źródeł wyjść: jako CH4, jako CO2, jako lotne związki organiczne (ang. VOCs), jako odciek lub może pozostać trwale „zatrzymany” na składowisku.

Głównym procesem zachodzącym na składowisku odpadów komunalnych to proces powstawania biogazu. Biogaz to gaz składający się głównie z metanu i dwutlenku węgla, uzyskiwany w procesie beztlenowej fermentacji biomasy [12] przez mikroorganizmy metanogenne. W tabeli 2.3. przedstawiono główne składniki biogazu.

Tabela 2.3. Główne składniki gazu składowiskowego [13] Procentowy udział składników gazu składowiskowego (objętościowo) Metan CH4 15-60% Dwutlenek węgla CO2 10-40% Azot N2 1-6% Tlen O2 1-8% Siarkowodór H2S 1%

Na aktywność mikroorganizmów metanogennych wpływa zawartość wilgoci w odpadach komunalnych oraz zawartość węgla organicznego. Należy jednak pamiętać, że nie cały węgiel ulegnie rozkładowi biochemicznemu. W tabeli 2.4. przedstawiono przykładowe zawartości węgla organicznego oraz węgla biodegradowalnego w różnych składnikach odpadów.

Tabela 2.4.Przykładowe zawartości węgla organicznego oraz węgla biodegradowalnego w różnych składnikach odpadów [11]

Składnik odpadów Węgiel organiczny w suchej masie odpadów kgCorg/kg

Węgiel biodegradowalny kgCdeg/kgCorg Odpady kuchenne 0,48 0,8 Odpady zielone 0,48 0,7 Papier, tektura 0,44 0,5

Tworzywa sztuczne, guma 0,70 0,0

Tekstylia 0,55 0,2

Drewno 0,50 0,5

Szkło 0,00 0,0

Ponadto zawarte w frakcji nieorganicznej metale ciężkie mają toksyczny wpływ na mikroorganizmy, spowalniając procesy ich metabolizmu. Naturalne procesy zachodzące w złożu na składowisku odpadów można podzielić na dwie fazy:

• tlenową, w procesach aerobowych następuje rozkład substancji organicznej przez mikroorganizmy tlenowe. Rozkład tlenowy trwa 3÷12 tygodni i w tym czasie następuje samonagrzewanie się masy co sprzyja rozwojowi mikroorganizmów mezofilnych i intensyfikuje fermentację beztlenową (anaerobową). Na długość tej fazy ma wpływ przede wszystkim stopień zagęszczenia odpadów

• beztlenową, złożony proces biologiczny w którym następuje rozkład beztlenowy (fermentacja), gdzie miejsce mikroorganizmów tlenowych zajmują drobnoustroje beztlenowe). Podczas rozkładu beztlenowego około 95% rozkładalnych substancji organicznych ulega katabolizmowi do produktów gazowych: CH4 i CO2. Ilość wygenerowanego w tej fazie gazu składowiskowego zależy w głównej mierze od aktywności mikroorganizmów oraz wpływu innych czynników, np. temperatury Intensywność produkcji gazu składowiskowego zależy przede wszystkim od składu morfologicznego odpadów (zawartość substancji organicznej, podatność na biologiczny rozkład), ale także od wewnętrznych warunków (temperatura, zasadowość, pH, potencjał redox, przepuszczalność złoża,) jak i zewnętrznych (zewnętrzna temperatura, ciśnienie atmosferyczne).

Dotychczas przeprowadzono niewiele badań na temat wpływu emisji lotnych związków organicznych oznaczane w języku angielskim jako VOCs (Volatile Organic Compounds) na bilans węgla na składowisku. Istniejące badania wskazują, że lotne związki organiczne zawierają szerokie spectrum związków chemicznych włączając węglowodory alifatyczne i ich pochodne, węglowodory aromatyczne wraz z pochodnymi, węglowodory częściowo utlenione (alkohole, ketony, etery i kwasy) oraz inne związki węglowodorowe) [14]. Według US EPA [7] lotne związki organiczne odgrywają niewielka rolę w całkowitym obiegu węgla. Dla porównania koncentracjach CH4 i CO2 w bilansie węgla jest setki razy większa.

Odcieki ze składowisk tworzą wody opadowe penetrujące w głąb złoża odpadów oraz hydrolizaty (produkty przemian biochemicznych substancji organicznej) [3]. Ze względu na możliwą migracje odcieków (o wysokim stężeniu zanieczyszczeń) poza teren składowiska, stanowią poważne zagrożenie dla wód powierzchniowych i podziemnych. Dlatego wymagane jest ujmowanie odcieków (zawiera w składzie pierwiastek węgla) i wstępne oczyszczenie np. na terenie składowiska w lokalnej małej oczyszczalni przed wypuszczeniem do środowiska. Specyficzną metodą postępowania z odciekami stanowi możliwość ich recyrkulacji, czyli wielokrotnego zawracania i rozprowadzania odcieków w bryle składowiska w celu minimalizacji odprowadzania wód odciekowych. Przy wielokrotnym zawracaniu odcieków w składowisku następuje rozkład biologiczny, a przy jego wystarczającej wysokości obserwuje się nawet podział na górną strefę kwaśną (zakwaszania) i dolną metanogenną [4]. Według badań przeprowadzonych przez US EPA [7] odcieki zawierają mniej niż 1% węgla zawartego w odpadach komunalnych deponowanych na składowisku.

2.3.2. Potencjalna emisja gazów cieplarnianych z procesu składowania

Odpady organiczne (papier, drewno, resztki jedzenia) bogate w pierwiastek węgla deponowane są na składowisku, gdzie bakterie beztlenowe rozkładają substancje organiczne zawarte w odpadach do produktów gazowych (CH4 i CO2). Emisja CH4 z procesów fermentacji substancji biodegradowalnych jest wliczana jako antropogeniczna emisja gazów cieplarnianych, ponieważ w środowisku naturalnym z procesów rozkładu materii organicznej emisja metanu nie ma miejsca. Emisja dwutlenku węgla w tym kontekście nie jest zaliczana jako emisja gazów cieplarnianych, ponieważ poza składowiskiem emisja z naturalnego procesu rozkładu odpadów biodegradowalnych miała by miejsce. Zawarty w odpadach biodegradowalnych węgiel nie ulega całkowitemu rozkładowi w wyniku procesów beztlenowych. Pozostały węgiel ulega sekwestracji (przechodzi z krótkiego obiegu w długi obieg). Metale oraz stłuczka szklana zawarta w składzie morfologicznym odpadów nie zawierają węgla – brak emisji CH4 i CO2 podczas składowania. Tworzywa sztuczne (głównie politereftalan etylenu - PET) praktycznie nie ulegają rozkładowi w warunkach beztlenowych. - pierwiastek węgla zawarty w tworzywach sztucznych ulega sekwestracji na składowisku. Emisja dwutlenku węgla z transportu odpadów na składowisko spowodowana spalaniem paliw w pojazdach zaliczana jest do źródeł antropogenicznych. W tabeli 2.5. przedstawiono emisje gazów cieplarnianych z procesu deponowania odpadów komunalnych na składowiskach.

Tabela 2.5. Emisja gazów cieplarnianych z procesu składowania odpadów komunalnych [6]

Kopalne CO2 Rodzaj odpadu Obieg krótki CO2 [GWP1 = 0] Proces Użyta energia Uniknięta (energia, materiały) Transport Obieg krótki C sekwestracja [GWP1)_=1] Emisja CH4 [GWP1)_=23] Strumień całkowity GWP1) papier 288 0 1 -32 7 -786 1032 223 resztki jedzenia 286 0 1 -32 7 -272 1025 730 tworzywa sztuczne 0 0 1 0 7 0 0 8 stłuczka szklana 0 0 1 0 7 0 0 8 metal 0 0 1 0 7 0 0 8

1)Wskaźnik GWP (ang. Global Warming Potential) określa zdolność danego gazu cieplarnianego do zatrzymywania ciepła w atmosferze w odniesieniu do dwutlenku węgla (CO2), traktowanego jako punkt odniesienia.

3. Podsumowanie

W niniejszym artykule przeanalizowano obieg pierwiastka węgla w następujących procesach zagospodarowania odpadów komunalnych:

• procesy biotermiczne,

• deponowanie na składowiskach

Obieg pierwiastka węgla w poszczególnych systemach gospodarki odpadami komunalnymi stanowi ważny aspekt odnośnie emisji gazów cieplarnianych. Przejście z krótkiego cyklu obiegu pierwiastka węgla w długi cykl traktowane jest jako „korzyść” dla środowiska. Poprzez sekwestracje pierwiastka węgla np. w glebie z procesu kompostowania odpadów organicznych, przyczynia się do redukcji emisji gazów cieplarnianych. Sekwestracja węgla zmniejsza zatem potencjał globalnego ocieplenia: trwale zatrzymany pierwiastek węgla w żadnym stopniu nie wpływa na efekty cieplne.

Wydaje się, zatem oczywistością, iż lepsze zagospodarowanie odpadów komunalnych przyczyni się do zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych. Zwiększony odzysk odpadów i ograniczenie ilości odpadów kierowanych na składowiska odgrywają kluczową rolę w zwalczaniu negatywnego oddziaływania rosnących ilości odpadów na środowisko. Z uwagi na coraz częstsze stosowanie recyklingu i spalania umożliwiającego odzysk energii oczekuje się, że znacznie spadną emisje gazów cieplarnianych pochodzące z sektora gospodarki odpadami komunalnymi. Ograniczenie lub powstrzymanie wzrostu ilości odpadów przyczyniłoby się do dalszego zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych pochodzących z sektora odpadów, a także przyniosłoby inne korzyści dla społeczeństwa i środowiska.

Literatura

[1]. Nadziakiewicz J. „Spalanie stałych substancji odpadowych” Wyd. Gnome, Katowice 2001

[2]. den Boer E., den Boer J. “The Use of Life Cycle Assessment Tools for the Development of Integrated Waste Management Strategies for Cities and Regions with Rapid Growing Economies (LCA – IWM)”, Wyd. Ibidem-Verlag, Stuttgart 2005

[3]. Żygadło M. „Gospodarka odpadami komunalnymi” Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej, Kielce 2002

[4]. Bilitewski B., Hardtle G., Marek K. „Podręcznik gospodarki odpadami” Wyd. Seidel Przywecki, Warszawa 2006

[5]. Manczarski P. „Kompostowanie odpadów komunalnych” Referat na Forum Technologii Ochrony Środowiska POLEKO 2007 Poznań, 21.11.2007 r. [6]. Smith A., Brown K., Bates J. “ Waste management options and climate change”

European Commission, July 2001

[7]. Amerykańska Agencja Ochrony Środowiska US EPA „ Solid waste management and greenhouse gases” edycja III, Sierpień 2006

[8]. Wandrasz J.W., Wandrasz A.J. „Paliwa Formowane”, Wyd. Seidel Przywecki, Warszawa 2006

[9]. Nadziakiewicz J,, Wacławiok K., Stelmach S. „Procesy termiczne utylizacji odpadów” Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice 2007

[10]. Wandrasz J.W., Materiały dydaktyczne „Procesy Odgazowania i Zgazowania Odpadów”

[11]. Wandrasz J.W., Landrat M. „Model matematyczny wytwarzania biogazu w składowiskach odpadów” Ochrona Środowiska nr 2/2002

[12]. GUS „Energia ze źródeł odnawialnych w 2006 roku”

[13]. Lemański J. „ Zasady uszczelniania wysypisk, ujmowania biogazu i odcieków”, Wyd. Arka konsorcjum, Poznań 1993