Spalenie czy termiczny rozkład?

O ile pewną część odpadów możemy bezpiecznie składować na wysypiskach, zamienić na kompost lub paliwo alternatywne, o tyle odpady niebezpieczne stanowią dziś nie lada problem. Jedynym właściwym sposobem pozbycia się ich jest wysokotemperaturowa obróbka termiczna – spalenie lub termiczny rozkład. Ten drugi sposób jest znacznie lepszy, ponieważ umożliwia odzyskanie większości substancji, z których składają się śmieci. Nieodnawialna część odpadów zostaje z kolei zamieniona w czystą energię. Dlatego rozwiązaniem nie jest spalanie trujących i kosztownych paliw kopalnych ani budowa nowych, szkodliwych zakładów wydobywczych.

Około trzech czwartych odpadów składa się ze związków organicznych. Przy zastosowaniu odpowiedniej technologii można je zamienić na mieszaninę węglowodorów, które stanowią potencjalne źródło energii.

Istnieje zatem skuteczny sposób utylizacji śmieci, który nie wiąże się z pozostawianiem kolejnych odpadów, ale pozwala przetwarzać te zasoby na produkty użyteczne – to technologia plazmowa. Metoda ta sukcesywnie wdrażana jest przez firmy na całym świecie od ponad 40 lat. Większość jej komponentów to urządzenia i procesy dobrze znane, stosowane od dawna w przedsiębiorstwach przemysłu przetwórczego, chemicznego i petrochemicznego. Najważniejszą innowację technologiczną stanowi reaktor wyposażony w palniki plazmowe (tzw. plazmotrony). Jego powstanie było związane z konkursem na opracowanie metody recyklingu drogich materiałów używanych przy produkcji wahadłowców i statków kosmicznych, ogłoszonym w 1977 r. przez Amerykańską Agencję Kosmiczną NASA. Zwycięska firma Westinghouse Plasma Corporation zaproponowała przetworzenie tych odpadów właśnie za pomocą plazmy. Od tego czasu technologia stale się rozwija. Pięć lat temu pojawiła się na rynku jej najnowsza, bardzo efektywna energetycznie, czwarta generacja, która umożliwia sprzedaż nawet do 80% energii wytworzonej przez zakład.

Plazmotron (palnik plazmowy)

Ostatnia dekada przyniosła rozwiązania, które umożliwiają eksploatowanie instalacji w sposób efektywny pod względem ekonomicznym, bezemisyjny i bezpieczny dla środowiska. Dzięki temu konwencjonalne instalacje termicznego przetwarzania odpadów zaczęły odchodzić do lamusa.

Szacuje się, że obecnie funkcjonuje na świecie ok. 20 zakładów wykorzystujących do zgazowania odpadów plazmową technologię firmy Westinghouse. Większość stanowią instalacje przeznaczone do niszczenia odpadów niebezpiecznych (amunicji, azbestu, odpadów medycznych itp.), a część z nich służy do zeszkliwienia w wysokiej temperaturze odpadów wtórnych z klasycznych spalarni rusztowych. Nie są to jednak jedyne instalacje z zakresu termicznego przekształcania odpadów pracujące w oparciu o plazmotrony.

Firmy dostarczające na rynek technologię plazmowego zgazowania odpadów:

  • Alter NRG/Westinghouse (Proces Zgazowania Plazmowego);
  • Integrated Environmental Technologies;
  • InEnTec (Stapiarka Wzbogacona Plazmą, PEM);
  • Plasco Energy Group (Zgazowanie łukiem Plazmowym);
  • ScanArc Plasma Technologies (PyroArc);
  • Advanced Plasma Power (APP);
  • Solena;
  • GeoplasmaInenTec;
  • ZeGen.

Na świecie pracuje kilkaset różnej wielkości instalacji wykorzystujących do obróbki odpadów technologię bazującą na energii elektrycznej i wysokiej temperaturze generowanej przez plazmotrony łukowe.

Na terenie Polski realizowanych jest obecnie kilka inwestycji z zakresu budowy instalacji do termicznej utylizacji odpadów, większość z nich dotyczy jednak odpadów komunalnych, a procesy projektowe zaczęły się kilka lat temu, dlatego zdecydowano o wyborze technologii, która w tamtym okresie wymagała niższych nakładów inwestycyjnych.

Na czym to polega?

Zacznijmy od samej plazmy. Plazma to silnie zjonizowana materia o stanie skupienia przypominającym gaz. Może być nią np. tlen. Wytwarzana sztucznie powstaje z gazu rozgrzanego do bardzo wysokiej temperatury za pomocą łuku elektrycznego. Energia jest tak duża, że atomy gazu „gubią” własne elektrony. To sprawia, że plazma jest niemal idealnym przewodnikiem elektryczności i ciepła. Potrafi bardzo szybko tracić tę energię, podgrzewając nią wszystkie rzeczy znajdujące się w otoczeniu, dlatego wykorzystywana jest np. do cięcia metali, ceramiki, a nawet skał. Stygnąc, znowu staje się zwykłym gazem. Rozgrzane przez nią substancje złożone rozkładają się na cząsteczki szeregu prostych związków: tlenek węgla, dwutlenek węgla i wodór. Ten proces nazywamy zgazowaniem plazmowym, czyli rozkładem bez spalania. Przebiega on w temperaturach bliskich 1000 °C przy dostępie czynnika utleniającego, którym może być powietrze, tlen lub para wodna.

Idea plazmowej utylizacji odpadów

Cząsteczki po ochłodzeniu nie tworzą już tych samych substancji, z których pochodziły. Powstają z nich trzy rodzaje materii pierwotnej:

Gaz syntezowy (syngaz)

To wynik rozkładu wszystkich związków organicznych zawartych w odpadach. Swoim składem i właściwościami jest bardzo zbliżony do naturalnego gazu ziemnego. Po oczyszczeniu ze zbędnych składników (usunięciu sadz oraz nadmiaru pary wodnej, chloru, azotu, siarki i dwutlenku węgla) składa się niemal wyłącznie z węglowodorów, wodoru, tlenku i dwutlenku węgla. Uszlachetnienie nadaje mu wartość kaloryczną zbliżoną do gazu ziemnego. Spalany jest w turbinach gazowych, a jedynymi efektami tego spalania są energia oraz para wodna i dwutlenek węgla, które ulatują do atmosfery. Dwutlenek nie pochodzi jednak bezpośrednio z paliw kopalnych, a więc nie przyczynia się do wzrostu efektu cieplarnianego. W planowanej instalacji gaz wykorzystany będzie przede wszystkim do generowania energii elektrycznej i cieplnej, ale nie jest to jedyny możliwy sposób jego wykorzystania. Syngaz służy również jako surowiec do produkcji syntetycznego oleju opałowego. Można go też skroplić i w cysternach dostarczać do zakładów chemicznych. Tam wytwarza się z niego tworzywa sztuczne, oleje, smary itp.

Witryt

Jak sama nazwa (łac. vitrum, czyli szkło) sugeruje, jego głównym składnikiem jest szkło, czyli przetopiony do stanu zeszklenia dwutlenek krzemu. Są tam również inne sole i związki mineralne. W efekcie substancja ta po ochłodzeniu jest do złudzenia podobna do bezpostaciowych skał wulkanicznych, takich jak np. bazalt czy krzemień. Witryt jest bardzo cennym surowcem. Można z niego wytwarzać wełnę mineralną do ocieplania domów albo płyty piankowe, które budową przypominają naturalny pumeks. Witryt można też ostudzić w formach, a powstałe w ten sposób kamienne bloczki używać do budowy fundamentów o dużej nośności. Można go w końcu pokruszyć, a kruszywem tym wzmocnić konstrukcje betonowe, podłoże dróg itp.

Mieszanina metali, które wytopiły się z różnorodnych odpadów

Ostatnim składnikiem procesu zamiany odpadów na energię i inne użyteczne substancje jest stop metali. O jego użyteczności nie trzeba chyba nikogo przekonywać. Istotnym problemem jest tutaj rozdzielenie składników. Zajmują się tym wyspecjalizowane zakłady. Poszczególne metale z mieszaniny można wyodrębnić na kilka sposobów. Najtańsza jest metoda grawitacyjna wykorzystująca różny ciężar właściwy metali. Roztopioną mieszaninę (stop) kieruje się na wirówkę i w ten sposób rozdziela poszczególne frakcje. Bardziej złożoną metodą jest metoda elektrochemiczna. Stop metali rozpuszcza się w specjalnej mieszaninie kwasów, a utworzony w ten sposób roztwór soli jest poddawany elektrolizie. Jest to metoda doskonale znana m.in. z procesów produkcji czystej miedzi.

Wykorzystywanym w procesie czynnikiem wytwarzającym ciepło jest plazma, którą zalicza się do plazmy zimnej (4000–30000 K). Wytwarza się ją w plazmotronach. O plazmie gorącej mówimy przy temperaturach przekraczających 30000 K – taka występuje np. we wnętrzu gwiazd.

Umiejętność bezpiecznego uzyskiwania wysokich temperatur w strumieniu plazmy niskotemperaturowej stworzyła możliwość bardzo efektywnego – w porównaniu do klasycznego spalania – przetwarzania odpadów. Na skutek działania wysokiej temperatury oraz energii o dużej gęstości zdecydowanie zwiększona została szybkość procesu, co przyczyniło się znacząco do podwyższenia jego wydajności.

Więcej informacji na temat procesu zgazowania plazmowego znajdziesz w zakładce FAQ.

Schemat procesu przetwarzania odpadów komunalnych w reaktorze Westinghouse Plasma Corporation

Powstający w procesie zgazowania gaz syntezowy może być wykorzystany bezpośrednio do:

  • produkcji energii elektrycznej;
  • produkcji paliw (synteza węglowodorów ciekłych);
  • syntezy metanolu.

Odpady bez odpadów

W zakładzie produkcji energii z odpadów przetwarzanych plazmowo  nie zostaje zatem nawet najmniejszy ślad po zutylizowanych odpadach! Co więcej, powstałe z nich substancje w całości mogą zostać wykorzystane w różnych działach gospodarki. Należy przy tym podkreślić, że technologia ta jest pierwszą metodą wytwarzania energii, która nie zanieczyszcza środowiska (a wręcz je oczyszcza).

Nie ulega wątpliwości, że metoda wykorzystująca plazmotrony jako źródła energii to naturalny etap rozwoju technologii termicznej utylizacji odpadów. Wydaje się zatem, że jako metoda bezpieczniejsza i efektywniejsza stopniowo będzie wypierała technologie dotychczas wykorzystywane.

Share