W celu poprawy jakości paliw pozyskanych z odpadów komunalnych można zastosować dwa zasadnicze rozwiązania technologiczne, związane z mechaniczno-biologicznym przetwarzaniem odpadów. Pierwszym jest wyselekcjonowanie materiałów o wysokiej wartości opałowej, a kolejnym suszenie biologiczne całej masy odpadów.

Ponadto najczęściej paliwa z odpadów komunalnych wzbogaca się wysokokalorycznymi odpadami przemysłowymi. Wysokiej jakości paliwa RDF (paliwo pochodzące z odpadów, ang. Refuse Derived Fuel) można pozyskać z materiałów o wysokiej wartości opałowej, co kolei oznacza, że muszą one odznaczać się stosunkowo wysokim ciepłem spalania oraz niską wilgotnością. Przykładem takich materiałów są tworzywa sztuczne. Dodatkowe ograniczenie stanowi zawartość niektórych substancji agresywnych, takich jak chlor, siarka oraz metale ciężkie. Jednocześnie nowe wymagania prawne dotyczące osiągania wysokich poziomów recyklingu lub przygotowania do ponownego użycia tworzyw sztucznych i papieru ograniczą możliwości wytwarzania paliw z tych frakcji odpadów komunalnych. Jakość paliw można poprawić, stosując różne rozwiązania technologiczne, m.in. wysortowanie pożądanych materiałów lub suszenie odpadów w celu podniesienia ich wartości opałowej. Coraz częściej instalacje mechaniczno-biologicznego przetwarzania odpadów (MBP) wykorzystują tzw. technologię biosuszenia. Pozwala ona na uzyskanie większej ilości paliwa z odpadów, jednak jego jakość jest zdecydowanie gorsza niż wymogi stawiane przez cementownie, czyli obecnie podstawowych odbiorców RDF. W ostatnich latach na coraz szerszą skalę prowadzone są analizy i próby dotyczące stosowania paliw również w energetyce. Sektor ten mógłby stanowić rynek zbytu dla paliw gorszej jakości, m.in. po procesie biosuszenia. Zmieniające się przepisy prawne dotyczące gospodarki odpadami, a także energetyki opartej na źródłach energii odnawialnej, stanowią element niepewności dla przedsiębiorców zamierzających inwestować w tę dziedzinę gospodarki.

MBP z biostabilizacją

W przypadku biostabilizacji frakcji biodegradowalnej wydzielana z odpadów zmieszanych frakcja gruba (> 80 mm) stanowi do 40% masy odpadów. Z niej wydzielane są surowce, a pozostała część tej frakcji stanowi półprodukt do wytworzenia paliwa. Zastosowanie separatorów optopneumatycznych zdecydowanie przyspiesza i zwiększa wydajność sortowania tej frakcji oraz umożliwia wydzielenie paliwa o pożądanym składzie i niskiej zawartości chloru.

W zakładach MBP opartych na biostabilizacji paliwa z odpadów wytwarza się z frakcji nadsitowej grubej (> 100 mm lub > 80 mm), która zawiera najwięcej składników palnych o najwyższej wartości opałowej. Ewentualnie do produkcji paliwa można pozyskiwać również składniki palne z frakcji średniej, np. 20-80 mm. W drugim przypadku frakcja ta będzie wymagała dosuszenia w celu poprawy jej parametrów ? podniesienia wartości opałowej oraz zmniejszenia zanieczyszczenia (łatwiejszy rozdział materiałów). Frakcja paliwowa z frakcji nadsitowej > 80 mm wydzielana jest na sitach, a kolejne etapy obróbki w różnych konfiguracjach obejmują rozdrabnianie wstępne i końcowe, separację części palnych w separatorze powietrznym lub wybranych materiałów w separatorze optopneumatycznym oraz ewentualnie wtórne odsiewanie frakcji drobnej oraz wydzielanie metali. W ramach cyklicznych badań w instalacji zlokalizowanej w rejonie wiejsko-miejskim stwierdzono, że jakość frakcji > 80 mm ulega bardzo dużym wahaniom w zależności od poru roku i warunków pogodowych. W okresie zimowym paliwo po usunięciu części niepalnych miało wartość opałową 20 700 kJ/kg. Jest to wartość graniczna, jeśli chodzi o odbiorcę, jakim są cementownie. Natomiast w okresie letnim jakość tego paliwa była zdecydowanie gorsza ze względu na wysoką zawartość wilgoci. Uzyskana wartość opałowa 16 750 kJ/kg po usunięciu części niepalnych jest za niska. Wówczas rozwiązanie stanowi usunięcie frakcji materiałowych, które chłoną wodę, czyli głównie papieru. W tym przypadku podstawowym składnikiem paliwa będą tworzywa sztuczne. Inną możliwością jest dosuszenie paliwa.

MBP z biosuszeniem

W typowym MBP opartym na biosuszeniu cała masa odpadów po wstępnym rozdrobnieniu poddawana jest biologicznemu suszeniu w reaktorach zamkniętych, po czym jest sortowana na frakcje lekką paliwową oraz ciężką do ewentualnego odzysku lub składowania. W klasycznym układzie tego procesu nie ma miejsca na wydzielenie surowców do recyklingu, jeśli skuteczność zbierania selektywnego jest niewystarczająca1. Głównym celem biosuszenia jest poprawa jakości paliw wytwarzanych z odpadów, a nie wysuszenie odpadów przed składowaniem. Frakcje składowane wymagają analogicznego przetworzenia jak w przypadku technologii biostabilizacji.

Biosuszenie polega na usunięciu wilgoci z odpadów za pomocą energii uzyskanej w wyniku procesów biochemicznych zachodzących w odpadach. Wyniki badań wykazują, że odpady zmieszane w Polsce mają stosunkowo wysokie uwodnienie w porównaniu do odpadów niemieckich, gdzie biologiczne suszenie stosuje się na szerszą skalę. Przeprowadzone analizy biosuszenia rozdrobnionych odpadów zmieszanych przyniosły niezadowalające wyniki. Wzrost temperatury w reaktorze był zbyt niski do osiągnięcia korzystnej temperatury procesu, który trwał długo i nie zapewnił wymaganej redukcji wilgoci.

Aby mogło nastąpić biosuszenie, konieczna jest stosunkowo wysoka zawartość łatwo rozkładalnej substancji organicznej, pochodzącej głównie z odpadów kuchennych. Musi ona wynosić przynajmniej 50% s.m.o. (suchej masy organicznej). W odpadach o przedstawionym składzie warunek ten spełnić mogą jedynie odpady z frakcji 20-80 mm. Rozkład masy organicznej dostarcza ok. 16 kJ energii cieplnej na 1 g rozłożonej substancji. Ta energia musi pokryć zapotrzebowanie energetyczne procesu suszenia, w ramach którego największy wydatek dotyczy energii na odparowanie wody. Wraz z podgrzaniem, w zależności od warunków zewnętrznych, po uwzględnieniu strat procesu całkowite zapotrzebowanie energii
na usunięcie wody z odpadów wynosi ok. 3200 kJ/kg wody2. W badanych odpadach można teoretycznie obniżyć zawartość wody we frakcji 20-80 mm do ok. 30% w odniesieniu do frakcji palnej. Jest to wartość niewystarczająca ze względu na wymogi stawiane paliwom, ponadto frakcja ta cechuje się wysoką zawartością popiołu. Biologiczne suszenie wymaga też znacznego nakładu energetycznego na napowietrzanie. Intensywność napowietrzania można wyznaczyć w oparciu o bilans masy wody. Głównym parametrem determinującym szybkość wynoszenia wody z odpadów jest temperatura ? im wyższa, tym lepiej. Korzystne jest utrzymanie jak największej różnicy temperatury między powietrzem wchodzącym a wychodzącym. Przy temperaturze na wejściu do reaktora na poziomie 25°C i na wyjściu osiągającej 50°C oraz przy nasyceniu wilgocią wynoszącym 50% na wejściu oraz 100% na wyjściu 1 m3 powietrza może wynieść maks. ok. 70 g wody z odpadów. Minimalna ilość powietrza do wysuszenia tych odpadów wynosi wtedy ok. 6500 m3/Mg odpadów, czyli przy założeniu suszenia przez tydzień ok. 40 m3 powietrza/Mg odpadów w ciągu godziny (przy ciągłym napowietrzaniu). Jest to intensywność napowietrzania ok. 7 ? 10 razy większa niż w budowanych w Polsce instalacjach biostabilizacji. Przy tak wysokiej intensywności napowietrzania nie ma możliwości utrzymania założonej temperatury 50°C ze względu na kinetykę procesu rozkładu, a przy niższej temperaturze wymagana ilość powietrza jest odpowiednio wyższa. W rzeczywistości oznacza to, że proces suszenia powinien trwać znacznie dłużej niż jeden tydzień.

Wymagania rynku

Biosuszenie jest stosowane w Niemczech, jednak paliwo tam powstałe ma stosunkowo niską jakość (tab.). Generalnie opałowa wartość robocza wynosi ok. 11 MJ/kg. W Niemczech była to od dawna wielkość graniczna, umożliwiająca uznanie spalania odpadów za odzysk energetyczny, więc suszenie do tej wartości miało uzasadnienie. Paliwo o takiej jakości może być spalane w dedykowanych spalarniach, ewentualnie współspalane w elektrociepłowniach, co ma miejsce w Niemczech. W warunkach polskich obecnie nie ma możliwości zbytu paliwa o tak niskiej jakości. Generalnie proces biosuszenia może być stosowany w kombinacji z suszeniem fizycznym, najlepiej z wykorzystaniem ciepła odpadowego. Ciepło mogłoby w tym przypadku pochodzić np. z agregatu prądotwórczego zasilanego gazem składowiskowym, jeśli zakład takim dysponuje. Przykładowo przez pierwsze 5 dni można prowadzić proces biosuszenia, a kolejne 3-4 dni dosuszenie za pomocą gorącego powietrza z agregatu (temp. 70°C). W ten sposób można stosować w reaktorach modułowych naprzemiennie proces biosuszenia i suszenia gorącym powietrzem. Ponadto można stosować w pełni termiczne suszenie zmieszanych odpadów komunalnych, a następnie oczyszczanie uzyskanego wysuszonego materiału z części mineralnych niepalnych. Wykorzystuje się w tym celu np. suszarnie bębnowe-obrotowe, taśmowe i tunelowe. W przypadku braku ciepła odpadowego proces ten jest kosztowny z uwagi na wysokie zużycie gazu ziemnego do suszenia odpadów, a ponadto wątpliwy ze względów środowiskowych.

Zaletą paliw uzyskanych w wyniku suszenia biologicznego lub termicznego całej masy odpadów jest duża zawartość w nich frakcji ulegających biodegradacji, sięgająca nawet do ok. 50%. Energia odzyskana z tej frakcji paliwa mogłaby być kwalifikowana jako energia ze źródła odnawialnego.

 

Przykładowe właściwości paliw po biosuszeniu

Oznaczenie badanej próby

Wilgotność

[%]

Ciepło spalania

[MJ/kg s.m.]

Wartość opał. robocza

[MJ/kg]

1.

20,20

16,31

11,47

2.

21,69

18,18

12,67

3.

11,95

13,07

10,06

 

Jakość paliw a ich skład

Aktualnie, w Polsce uzyskuje się paliwa alternatywne głównie z grubej frakcji odpadów (ponad 80-100 mm), o wartości opałowej roboczej 16-20 MJ/kg. Głównymi składnikami tych paliw są tworzywa sztuczne, papier, tekstylia, odpady kompozytowe i drewno. W nadchodzących latach można się spodziewać, że skład frakcji grubej dostępnej dla produkcji paliw będzie się stopniowo zmieniał w zależności od osiąganych wyników selektywnego zbierania odpadów palnych (papieru i tektury oraz tworzyw sztucznych). Zasadniczy problem w utrzymaniu wysokiej wartości opałowej roboczej paliw z odpadów komunalnych stanowi wilgotność odpadów, która generalnie wzrasta w okresach o wyższym nasileniu opadów, w szczególności gdy ma to miejsce w miesiącach letnich.

W przyszłości wilgotność odpadów zmieszanych będzie wzrastać wraz ze stopniem selektywnego zbierania odpadów do recyklingu, zwłaszcza na skutek wydzielenia tworzyw sztucznych i papieru. Tworzywa sztuczne mają największy wkład w bilansie energii paliw z odpadów.

Obecnie najczęściej właściwości paliwa poprawia się poprzez wyselekcjonowanie materiałów mokrych (papier) oraz wzbogacanie ich odpadami przemysłowymi o wysokiej wartości opałowej.

W efekcie wzrostu wymaganych poziomów recyklingu papieru i tworzyw sztucznych zawartych w odpadach komunalnych do wytwarzania paliw przeznaczane będą coraz gorsze jakościowo materiały, nieprzydatne do recyklingu. Aby temu zapobiegać, należy podjąć różne działania techniczno-organizacyjne. Należą do nich np. wprowadzenie i stopniowe rozszerzanie zakresu selektywnego zbierania i odrębnego przetwarzania bioodpadów (zmniejszenie wilgotności całej masy odpadów, w tym również frakcji paliwowych) oraz wykorzystanie energii cieplnej z biologicznego przetwarzania odpadów do suszenia frakcji paliwowej (ciepło z bioreaktorów kompostowych oraz ciepło ze spalania gazu składowiskowego lub fermentacyjnego w układzie kogeneracyjnym). Do tego typu działań zaliczyć też można wykorzystanie ciepła odpadowego z innych zakładów przemysłowych zlokalizowanych w pobliżu instalacji przetwarzania odpadów (tzw. symbioza przemysłowa) lub kooperacja z zakładami spalania albo współspalanie paliw z odpadów.

dr inż. Emilia den Boer, Politechnika Wrocławska


Źródła

  1. Velis C.A, Longhurst P.J., Drew G.H., Smith R., Pollard S.J.T.: Biodrying for mechanical?biological treatment of wastes: A review of process science and engineering. ?Bioresource Technology? 100/2009.
  2. Haug R.T.: The Practical Handbook of Composting Engineering. Lewis Publishers. Boca Raton. Florida 1993.