Innowacyjny Klaster Generacji i Użytkowania Energii w Mega ... · Podział plazmy . Plazmowe systemy rozruchowe kotłów energetycznych • Rosja – zespół prof. Karpenko •

Wydział Mechaniczno-Energetyczny

dr inż. Tadeusz MĄCZKA

inż. Łukasz NIEDŹWIECKI

prof. PWr dr hab. inż. Halina PAWLAK-KRUCZEK

PRZEGLĄD PLAZMOWYCH INSTALACJI

DO UTYLIZACJI ODPADÓW

Instytut Techniki Cieplnej i Mechanik Płynów

Innowacyjny Klaster Generacji i Użytkowania

Energii w Mega i Nano skali

Plan wystąpienia

1. Wprowadzenie

2. Systemy gospodarki odpadami

3. Plazmowe technologie utylizacji odpadów

3.1. Przegląd instalacji wdrożonych w skali

przemysłowej

3.2. Wyniki badań emisji i skład gazów

4. Doświadczenia własne

5. Podsumowanie

• Stosownie do regulacji prawnych i ekologicznych zachodzi

konieczność utylizacji odpadów w tym komunalnych

• Obowiązek gmin - ZINTEGROWANA GOSPODARKA ODPADAMI

(Plan zagospodarowania odpadów)

GŁÓWNE ŚCIEŻKI:

• recykling

• produkcja energii z odpadów ( termiczna utylizacja odpadów)

• Produkcja paliw alternatywnych (RDF = APS)

• Objęcie 100% mieszkańców kraju zorganizowanym systemem

odbierania odpadów komunalnych

• Zmniejszenie ilości odpadów komunalnych ulegających

biodegradacji kierowanych na składowiska (w stosunku do masy

tych odpadów wytworzonych w 1995 r.):

– w 2010 r. 75 % nie wykonano !!!

w 2013 r. 50 %

w 2020 r. 35 %

• Zmniejszenie całkowitej masy składowanych odpadów

komunalnych do max. 85% odpadów wytworzonych do 2014 r.

Plan Gospodarki Odpadami - cele (Zgodnie z dyrektywami UE)

Produkcja odpadów w Europie kg na osobę i rok

<300

<400

<500

<600

<700

>700

Zintegrowany system gospodarki odpadami komunalnymi

Termiczna utylizacja odpadów komunalnych z

odzyskiem energii - schemat ideowy

Średnia roczna wydajność instalacji do termicznej

utylizacji odpadów w Europie

[tys. ton/rok]

Odpady i paliwa z odpadów

- Surowe odpady komunalne

- Surowe odpady przemysłowe

-RDF (Refuse Derrived Fuel) = APS (Alternatywne Paliwa

Stałe) = wysoko kaloryczne frakcje odpadów wysortowane z

opadów przemysłowych bądź miejskich

-Wg ECN-45 istnieje klasyfikacja RDF .

Prowadzenie procesu TUOK – wg Rozporządzenia

Ministra Gospodarki

Na podstawie § 3 rozporządzenia:

1) Przy spalaniu odpadów lub substancji powstających podczas procesu

pirolizy, zgazowania i procesu plazmowego lub w razie zastosowania

innych procesów, temperatura gazów powstających w wyniku spalania

powinna w reprezentatywnym miejscu komory spalania (...) po

ostatnim doprowadzeniu powietrza, nawet w najbardziej

niekorzystnych warunkach, w kontrolowany i jednorodny sposób być

utrzymywana przez co najmniej 2 sekundy na poziomie:

a) 1100 °C dla odpadów zawierających powyżej 1% związków

chlorowcoorganicznych przeliczonych na chlor

b) 850 °C dla odpadów zawierających do 1% związków

chlorowcoorganicznych przeliczonych na chlor

2) W przypadku współspalania odpadów wymagania jw.

Najczęściej stosowane obecnie technologie to klasyczne spalarnie odpadów

Kwalifikacja TUOK jako OZE wg Rozporządzenie Ministra Środowiska

z dnia 2 czerwca 2010 r.

Wg § 4.1 Część energii odzyskanej z termicznego

przekształcania odpadów komunalnych może być

zakwalifikowana jako energia z odnawialnego

źródła energii, jeżeli są spełnione wymagane

warunki techniczne* * W rozporządzeniu łącznie jest 6 warunków

Technologie plazmowe - przyszłość w

przetwarzaniu odpadów

Rozwiązania w skali przemysłowej

Plazma Wybrane parametry Charakterystyka Przykład

Wysokotemperaturo

wa

(equilibrium plasma)

Te = Ti = Th; Tp = 106-108 K

ne 1020 m-3

Cząstki - elektrony,

jony, cząstki

neutralne są w stanie

równowagi

termicznej

Reakcje termonuklearne,

fuzja

Niskotemperaturowa

(quasi-equilibrium

plasma, thermal

plasma)

Te Ti Th; Tp 103-104 K

ne 1020 m-3

Cząstki znajdują się

lokalnie w stanie

równowagi

termicznej

Wyładowanie elektryczne

zupełne, łuk elektryczny,

plazma

wysokoczęstotliwościowa

ciśnienia

atmosferycznego,

Nietermiczna

(non-equilibrium)

Te Ti Th; Tp otocz. -

4102 K

ne 1010 m-3

Brak równowagi

termicznej

Wyładowanie elektryczne

niezupełne, korona,

wyładowanie w gazach

rozrzedzonych, DBD

Te – temperatura elektronów, Ti – temperatura jonów, Th – temperatura cząstek

neutralnych, Tp – temperatura plazmy, ne – koncentracja elektronów

Podział plazmy

Plazmowe systemy rozruchowe

kotłów energetycznych

• Rosja – zespół prof. Karpenko

• Czechy - firma ORGREZ

• Chiny – firma LONGYUAN

• Polska – Instytut Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów – PWr – zespół

prof. W. Kordylewskiego

Próby zapłonu plazmowego palnika

pyłowego dla kotła OP-130

Idea plazmowej utylizacji odpadów -

firma Alter NRG (dawniej Westinghouse Plasma)

Źró

dło

: G

.C.Y

oung „

Munic

ipal Solid W

ast

e t

o E

nerg

y

convers

ion p

rocess

es”

John W

iley &

Sons

Inc.,

2010.

Wizualizacja komercyjnej plazmowej instalacji do

utylizacji odpadów wg firmy Alter NRG

(Eco Valley – Utashinai, Japonia)

Projekty strategiczne firmy

Alter NRG

Schemat instalacja plazmowej firmy Plasco do TUOK w Ottawie

Źró

dło

: htt

p:/

/w

ww

.pla

scoenerg

ygro

up.c

om

Użytkowana od 2011

Instalacja plazmowa do utylizacji odpadów

komunalnych firmy Startech (theplasmasolution.com)

Witryfikat zestatlony Strefa plazmowego stapiania

SGI – Solena Group – schemat ideowy reaktora do

plazmowego zgazowania odpadów i witryfikacji

Źró

dło

: htt

p:/

/sg

ibio

pow

er.

com

/sc

ience

Schemat ideowy instalacji do plazmowej utylizacji

odpadów firmy InEnTec

(en. Plasma Enchanced Melting) –

Źró

dło

: w

ww

.inente

c.c

om

Reaktor do plazmowej instalacji

firmy InEnTec

Źró

dło

: E4 T

ech r

aport

Schemat ideowy instalacji witryfikacji pyłów

firmy Scanarc - instalacja Befesa Scandust AB

Źró

dło

: w

ww

.scandust

.se

Technologia Scan Arc –

witryfikacja pyłów

Źró

dło

: w

ww

.scanarc

.se

Plazmotrony

firmy Scan Arc

Plazmotron firmy ScanArc – schemat ideowy

Źró

dło

: w

ww

.scandust

.se

Bilans masy dla procesu witryfikacji firmy

Scan Arc

Źró

dło

: w

ww

.scandust

.se

Technologia dioksyny

[ng TEQ/ m3]

pyły

[mg / m3]

HCl

[mg / m3]

Klasyczne spalarnie * 0,00020 – 0,08000 0,1 – 4,0 0,1 – 6,0

Thermoselect (zgazowanie) 0,00250 < 4,7 11,6

Mitsui R21 (zgazowanie) 0,00450 < 1,0 55,8

Alter NRG / Westinghouse 0,00200 – 0,00980 ** - -

InEnTec 0,000013 – 0,0067 < 3,3 2,7 – 6,6

Plasco 0,00925 12,8 3,1

* - średnio roczne poziomy emisji

** - poziom emisji przekroczył normy wynoszące 0,01 [ng TEQ/ m3] w skutek awarii

filtrów workowych w styczniu 2007 roku (Źródło: raport firmy Juniper 2008 r.)

Porównanie emisji wybranych zanieczyszczeń w

zależności od technologii TUOK

Skład syngazu powstającego w różnych

instalacjach komercyjnych

CO H2 CO2 H2O

[ % vol ] [ % vol ] [ % vol ] [ % vol ]

Westinghouse 40,4 15,9 3,5 37,3

Solena 45,3 42,5 4,25 0,11

InEnTech 46,8 36,5 11,8 1,5

Źró

dło

: E4 T

ech r

aport

• Brak w pełni dojrzałego rozwiązania

• Wiele proponowanych rozwiązań jest nadal w

fazie testów i prób optymalizacyjnych

• Brak rodzimych polskich rozwiązań

plazmowego przetwarzaniem odpadów

• Celowe wydaje się prowadzenie badań nad

plazmowym przetwarzaniem odpadów w celu

pozyskiwania paliw płynnych

4 - Doświadczenia własne w plazmowym

przetwarzaniu materiałów organicznych

Obróbka

wstępna

Plazmowa

gazyfikacja

Materia

organiczna

Analiza

składuPozostałości

(popiół)

Magazynowanie

paliwa finalnego

Schładzenie

Oczyszczanie

paliwa

syntezowego

Badanie

kaloryczności

Projekt nr: N R06 0003 10/2010

Temat: Technologia plazmowego zgazowania biomasy i odpadów dla

wytwarzania paliw płynnych

Nazwa beneficjenta: Politechnika Wrocławska

Miejsce realizacji: Instytut Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów

Okres realizacji: 1.11.2010 ÷ 30.04.2013

Kierownik projektu: dr inż. Tadeusz Mączka

Widok zasadniczych elementów instalacji do

plazmowego przetwarzania – reaktor klasyczny

Reaktor do plazmowego przetwarzania

Instalacja widok

Plazmotron

Biomasa

Wydatek Skład gazu procesowego Wartość

opałowa

kg/h CO,

%obj

CO2,

%obj

CH4,

%obj

H2,

%obj MJ/m3

Wytłoki z

buraka

cukrowego

2,0 3,45 0,52 1,09 0,71 0,86

3,0 3,90 0,81 0,85 0,95 0,86

4,0 5,43 1,24 1,78 1,18 1,39

Miskantus

gigantus

1,5 1,69 0,17 0,49 0,35 0,41

2,0 3,34 0,43 0,90 0,67 0,78

3,0 4,58 0,72 1,32 0,88 1,09

Wierzba

konopianka

2,0 3,13 0,50 0,67 0,60 0,66

3,0 4,71 0,94 1,26 0,98 1,10

Wybrane składniki produktów gazowych z

plazmowej pirolizy biomasy - reaktor klasyczny

Właściwości/grupa związków Wielkość/związek

Gęstość 1,0959 g/cm3

Zawartość wody + części lotne 83,43 %m/m

Popiół 0,433 %m/m

Zawartość węglowodorów Alifatycznych + Aromatycznych 10,1 %m/m

Związki polarne 24,3 %m/m

Zawartość kwaśnych grup OH 5,23 %m/m

Liczba kwasowa LK, 162,2 mgKOH/g

Związki eluujące w zakresie n-alkanów C8 – C23 Główne indywidua Aceton, Kwas propionowy, Fenol, Metylofenole,

Dimetoksyfenol, 1,4:3,6 dianhydro-alpha

glukopiranoza C6H8O4, 1,6-anhydro-, beta- D-

glukopiranoza (lewoglukozan) C6H10O5, 1,6-

anhydro-, beta- D-glukopiranoza (lewoglukozan)

C6H10O5, 3,5 -dimetoksy, 4-hydroksy benzaldehyd

C9H10O2

Charakterystyka frakcji ciekłej pochodzącej z

przetwarzania plazmowego wierzby konopianki

(energetycznej)

Parametry plazmowej pirolizy Polietylenu -

reaktor klasyczny

Strumień

materiału (PE)

[Kg/h]

Moc

plazmotronu

[kW]

Strumień

czynnika

plazmotwórcze

go [Nm3]

Temperatura

nad

plazmotronem

[°C]

Uśredniona

temperatura

w reaktorze

[°C]

Temperatura

gazów za

reaktorem [°C]

Temperatura

gazów po

schłodzeniu

[°C]

3,0 13,5 9,0 1200 750 530 20

Wodór

H2

[%]

Metan – CH4

[%]

Tlenek węgla –

CO

[%]

Ditlenek węgla –

CO2

[%]

Kaloryczność

kJ/Nm3

1,1 2,0 0,3 < 0,01 848,5

Parametry gazu procesowego otrzymanego

podczas plazmowej pirolizy PE

Materiał Gęstość

[g/cm3]

Składniki

lotne +

zawartość

wody

[% m/m]

Popiół,

[% m/m]

Skład grupowy

[% m/m] Liczba

kwasowa, LK

[mgKOH/g

próbki

węglowodo

ry

związki

polarne

Frakcja po

pirolitycz

na PE 0,868 6,70 0,290 89,9 4,4 1,52

Olej

napędowy 0,800-

0,845 - 0,01 99 -

0,2

(dla biodiesla*)

Wybrane właściwości frakcji ciekłej z plazmowej pirolizy PE

Analiza GC-MS wykazała, że ciekłe produkty plazmowej pirolizy

polietylenu stanowią mieszaninę homologów węglowodorów

alifatycznych, wśród których występują n-alkany, n-alkeny-1 i

alkadieny, o liczbie atomów węgla od C10 (dekan) do C33

(tritriakontan).

Analiza Chromatograficzna frakcji ciekłej

otrzymanej z plazmowej pirolizy polietylenu (PE)

Związki Rys. 4. Chromatogram frakcji ciekłej otrzymanej z plazmowej pirolizy polietylenu (PE)

5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 45.00 0

1000000 2000000 3000000 4000000 5000000 6000000 7000000 8000000 9000000 1e+07 1.1e+07 1.2e+07 1.3e+07

Time, min-->

Abundance

C19

Reaktor plazmowy bezelektrodowy

do przetwarzania odpadów organicznych - prototyp

33 l/min

Strumień gazu osłonowego (azot) 33 l/min

Strumień gazu podajnika 8,4 l/min

Strumień biomasy

Strumień gazu plazmotwórczego (azot)

2kg/h

Wielkości strumieni gazów i strumienia materiału

podczas prób plazmowej pirolizy – reaktor

bezelektrodowy

Całkowita moc pobierana przez układ wynosi ok 11 kVA

Frakcja

950 920 424 535

315μm<d<500μm 940 911 437 547

250μm<d<315μm 1001 960 404 575

160μm<d<250μm 997 950 400 523

0μm<d<160μm 940 920 450 450

0μm<d<500μm 890 850 426 540

T1w

, °C T1p

, °C T2w

, °C T2p

, °C

500μm<d<630μm

Zestawienie wartości rejestrowanych temperatur

w reaktorze plazmowym bezelektrodowym

Frakcja CO, %

6,2 1,21 0,75 1 533,7 2,234

315μm<d<500μm 6,58 1,37 0,83 1,2 605,5 2,535

250μm<d<315μm 9,49 1,8 1,58 1,3 772,3 3,233

160μm<d<250μm 9,26 1,65 1,75 1,03 696,8 2,917

0μm<d<160μm 10,35 1,94 1,66 1,35 823,6 3,448

0μm<d<500μm 6,7 1,4 0,9 1,3 635,7 2,661

CH4, % H

2*, % THC**, % Q, kcal/m3 Q, MJ/m3

500μm<d<630μm

Skład i kaloryczność syngazu dla

plazmowej pirolizy ślazowca

** – THC – Total hydrocarbon (całkowita ilość węglowodorów)

Pozostałość materiału po pirolizie –

reaktor plazmowy bezelektrodowy

Próba palności gazu

Plany na przyszłość

fot. Sławomir Duda-Klimaszewski

VIII Międzynarodowej Konferencji „Paliwa z odpadów'2012”

może zaowocować wdrożeniem na skalę

komercyjną technologii plazmowego przetwarzania

materiałów organicznych, w tym niebezpiecznych,

w paliwowe frakcje płynne (paliwa alternatywne)

Realizacja zaplanowanych działań

Zastosowanie technik plazmowych w znacznym stopniu

uniezależnia działanie instalacji od zmian jakości

(zawartość wilgoci i substancji mineralnej) podawanego

paliwa (odpadów) w porównaniu do technologii

autotermicznych (zgazowanie wykorzystujące w procesie

część energii zawartej w paliwie).

Istotną przewagą instalacji plazmowych jest witryfikacja

substancji mineralnej, co ułatwia jej wykorzystanie np. w

budownictwie ( produkty utylizacji plazmowwej są 50x

mniejsze od spalarni).

Modułowy charakter instalacji plazmowych może

wykazać w przyszłości pewien potencjał dot. redukcji

kosztów.

Brak jest komercyjnie dostępnych technologii

plazmowego zgazowania w przepływie o niskim czasie

rozruchu takich jak w badaniach własnych.

Na rynku są dostępne instalacje plazmowego zgazowania

odpadów, jednakże większość (NRG/Westinghouse Plasma,

InEnTec, ScanArc, Solena) oparta jest na konstrukcji

reaktora witryfikującego (zasada działania przypominająca

tzw. „Żeliwiak”). Wadą tego typu konstrukcji jest duża

bezwładność cieplna (wsad trzeba nagrzać powyżej

temperatury topienia).

Niektóre instalacje (Plasco) wykorzystują plazmę do

reformingu uzyskanych uprzednio gazów w celu pozbycia

się smół.

Dziękuję za uwagę!