Spracovanie dreva a odpadovej biomasy pyrolýzou

Technical University in Zvolen Faculty of Ecology and Environmental

Sciences Department of Environmental

Engineering T. G. Masaryka 24, 960 53 Zvolen

Matej Bel University Banská BystricaFaculty of Natural Sciences

Department of Environmental Management

Tajovského 40, 960 53

[email protected]@yahoo.co.uk

Cieľom predloženého príspevku je poukázať na potrebu dodržiavania

emisných limitov pri spracovaní dreva a odpadovej biomasy pyrolýzou.

Pri termických spôsoboch zhodnocovania organických surovín, vždy dochádza

k chemickým zmenám pôvodného zloženia.

Pyrolýza•olej •tuhý zvyšok•plyn

Spaľovanie termická-oxidácia s celým komplexom dejov a reakcií

Splynovanie •syntézny plyn

využíva energeticky

• priamo spaľovaním • po čistení a preprave plynovým

potrubím na mieste určenia

plášť retorty

priamy ohrev

buď / alebonepriamy

ohrev

spaľovanie plynov

drev

o

plyn

y

Princíp retorty

Principiálne možnosti využitia tepla pri výrobe dreveného uhlia

PLYNDECHTDREVENÉ UHLIE

PALIVO

VZDUCHPLYNDECHT

DREVENÉ UHLIEPALIVO

PLYNDECHTDREVENÉ UHLIEPALIV

O

VZDUCHC

PLYNDECHTDREVENÉ UHLIE

PALIVO

VZDUCHCPLYN

PLYN

Systém s vnútorným ohrevom Systém s vonkajším ohrevom

Systém ohrevu s čiastočnou recirkuláciou PP a priamym vstupom spalín do reaktora Systém ohrevu s čiastočnou recirkuláciou PP

a nepriamym vstupom spalín do reaktora

Podľa teploty môžeme pyrolýzu rozdeliť

180 – 250 °C torifikácia

250 – 400°C nízkoteplotná pyrolýza

400 – 800°C stredneteplotnú pyrolýzu

> 800°C vysokoteplotná pyrolýza

Zmeny v organickej hmote

do 150°C

150 - 250 °C

250 - 500 °C

500 – 800 °C

sušenie, tvorba vodnej pary odparujú sa veľmi ľahko PL

uvoľňuje sa zo zložiek organickej hmoty chemicky viazaná voda a veľmi slabo viazané bočné reťazce

odštiepenie bočných reťazcov z vysokomol. látok rozkladajú sa zložky organickej hmoty a prechádzajú do plynnej fázy (pyrolýzny plyn), kvapalnej olejovitej fázy a zlúčenín charakteru dechtov (pyrolýzny olej)  tuhého uhlíkatého zvyšku (pyrolýzny koks)

800 – 1200 °C

z kvapalnej aj tuhej frakcie vznikajú jednoduché plynné látky, prevažne H2, CO a CH4 (splynovanie)

tavia sa anorganické zložky O a môže vznikať troska.

ďalšie štiepenie uhľovodíkov, čo už vedie k nižšej výhrevnosti pyrolýzneho plynu, ale vyšším výťažkom

nad 1200°C

Zaniknutá história výroby dreveného uhlia na Strednom Slovensku (Konečná, Bakošová 2011)

Súčasné milierstvo v Nemecku ako projekt rozvoja vidieka Bad Kohlgrub

Tradičné výroby dreveného uhlia

EL z pyrolýzy ako súčasti spaľovne odpadov

EL pre výrobu dreveného uhlia

EL z pyrolýzy biomasy s následným spaľovaním pyrolýzneho plynu a oleja

EL pre spaľovanie pyrolýzneho plynu a pyrolýzneho oleja v spaľovacom motore

EL z pyrolýzy ako súčasti spaľovne odpadov

Emisie sú vzťahované na referenčné podmienky:•teplota 273 K (0°C),•tlak 101,3 kPa, •suchý plyn,

•obsah kyslíka v spalinách 11%obj., (s výnimkou pre spaľovanie odpadového oleja, kde je obsah kyslíka, 3%obj.).

Emisné limity pre oxid uhoľnatý(a) 50 mg.mn

-3 ako priemerná denná hodnota;

(b) 100 mg.mn-3 ako priemerná hodinová hodnota;

(c) 150 mg.mn-3 najmenej 95 % všetkých hodnôt určených

ako 10 minútové priemerné hodnoty v intervale 24 hodín.

1

Znečisťujúca látka c [mg.mn-3]

Prchavé organické látky vyjadrené ako celkový organický uhlík 20

Tuhé znečisťujúce látky 30

HCl 30

HF 2

SO2 300

Dioxíny (vzorkované 6-8 h) 0,1 ng.m-3

Poznámka: Nie je dovolené zrieďovať spaliny, aby sa neprekračovali EL.

EL z pyrolýzy ako súčasti spaľovne odpadov2

Tab. 1 Priemerné hodinové hodnoty

Emisie zápachu z procesu nesmú byť detegovateľné mimo hraníc, kde sa proces realizuje.

S výnimkou 5 minútového štartu zariadenia zo studeného stavu nesmie byť viditeľný dym.

EL z pyrolýzy ako súčasti spaľovne odpadov3

Pre kovy, vrátane kovu vo forme plynu alebo pary, sú určené tieto EL (vzorkovanie medzi 0,5 až 8 h):

•Cd, Tl (ako súčet koncentrácií) 0,05 mg.mn-3

•Hg 0,05 mg.mn-3

•Sb, As, Cr, Co, Cu, Pb, Mn, Ni, Sn, (ako súčet koncentrácií) 0,5 mg.mn

-3

Fugitívne a neočakávané emisie, napr.:•Tuhé znečisťujúce látky a zápach počas nakladania so surovinou, popolčekom a škvarou. •Fugitívne emisie z tesnení, dverí a potrubí. •Straty prchavých organických látok počas skladovania, plnenia a vyprázdňovania nádrží s rozpúšťadlami a i.

EL z pyrolýzy ako súčasti spaľovne odpadov4

EL pre nové zariadenia, podmienky platnosti EL:

•štandardné stavové podmienky, vlhký plyn v prepočte na referenčný kyslík 17 %.

EL pre výrobu dreveného uhlia1

EL pre nové zariadenia pre výrobu dreveného uhliaProjektovaná kapacita výroby

dreveného uhliaEL [mg.m-3]

[kg.d-1] TZL CO TOC< 1 000 50 800 100≥ 1 000 50 800 50

TZL – tuhé znečisťujúce látkyTOC – organické látky vyjadrené ako celkový organický uhlík

§ 19 ods. (2) vyhlášky MŽP SR č. 410/2012 Z.z.

špecifické požiadavky tejto časti sa neuplatňujú na zariadenia na splyňovanie a pyrolýzu O,

ak plyny získané takýmto tepelným spracovaním O sú vyčistené do takej miery,

že pred spaľovaním už nie sú ODPADOM

a zodpovedajú požiadavkám na kvalitu palív podľa príslušnej vyhlášky o kvalite palív k zákonu o ovzduší,

a pri spaľovaní nemôžu spôsobovať vyššie a iné emisie, ako sú ustanovené emisné limity a technické požiadavky pre spaľovanie zemného plynu.

EL z pyrolýzy biomasy s následným spaľovaním pyrolýzneho plynu a oleja

1

V opačnom prípade, ak sa pyrolýzne plyny nečistia, ale spaľujú v zariadení na spaľovanie palív, potom sa na daný prípad môžeme pozerať ako na spaľovanie daného paliva.

Teda EL sa uplatňujú ako pre spaľovanie biomasy (tab. 3).

EL z pyrolýzy biomasy s následným spaľovaním pyrolýzneho plynu a oleja

2

Tab. 3 EL pre spaľovanie biomasy

Podmienky platnosti EL

Štandardné stavové podmienky, suchý plyn, O2ref: 11 % objemuEL pre ďalšie ZL sa neustanovujú a neuplatňujú sa ani všeobecne platné EL. Pritom však treba využiť dostupné opatrenia s ohľadom na primeranosť nákladov na obmedzenie ich emisií.Pre špecifické technológie na nepriamy procesný ohrev, ako sú pekárenské cyklotermické pece, téglikové taviace pece a ohrevy taviacich vaní, kde konštrukčné riešenie zariadenia umožňuje iba obmedzene ovplyvniť vznik emisií, správny orgán môže určiť miernejšie EL individuálne.Na spaľovacie zariadenie, ktoré je podľa povolenia alebo dokumentácie používané výlučne na núdzovú prevádzku, ak je jeho prevádzka ≤ 240 h/rok, sa EL neuplatňujú. Emisie z takéhoto zariadenia musia zodpovedať technickej požiadavke.

MTP [MW] Emisný limit [mg/m3]od do TZL SO2 NOx CO TOC

Spaľovacie s vydaným povolením do 31. decembra 2010≥ 0,3 ≤ 7 150, 2501) - 650 850 50, 1001)

>7 150 - 650 250 50Spaľovacie zariadenia s vydaným povolením od 1. januára 2011 do 31. decembra 2013

≥ 0,3 < 1 150 - 350 400 50≥ 1 < 5 150 - 350 250 20≥ 5 < 10 50 - 350 150, 2502) 20

≥ 10 - 50 - 350 150 20Spaľovacie zariadenia s vydaným povolením od 1. januára 2014

≥ 0,3 < 1 150 - 350 400 50≥ 1 < 5 150 - 350 250 20≥ 5 < 10 50 - 350 150, 2502) 20

≥ 10 - 20 - 350 150 201) Platí pre zariadenia s vydaným povolením do 31. augusta 2009. 2) Platí pre spaľovanie slamy.

Ak pyrolýzny plyn a pyrolýzny olej vyrobených z odpadov sú vyčistené do takej miery, že zodpovedajú požiadavkám na palivá a pri ich spaľovaní v spaľovacom motore nevznikajú významnejšie emisie ako zo spaľovania palív, môžeme hovoriť o konci odpadu a na tieto prípady sa vzťahujú EL pre spaľovacie motory podľa vyhlášky MŽP SR č. 410/2012 Z.z. sú uvedené v tab. 4.

EL pre spaľovanie pyrolýzneho plynu a pyrolýzneho oleja v spaľovacom motore

1

Tab. 4 EL pre spaľovanie v piestových spaľovacích motorochPodmienky platnosti EL Štandardné stavové podmienky, suchý plyn, O2ref: 5 % objemu

Pre zariadenie používané výlučne na núdzovú prevádzku, ak je v prevádzke < 500 h/rok, sa emisné limity neuplatňujú.Všeobecné emisné limity sa neuplatňujú okrem všeobecných emisných limitov pre tuhé anorganické znečisťujúce látky zaradené v 2. skupine, ktoré platia, ak sa emisné limity pre TZL dosahujú odlučovaním.

Typy motorov MTP [MW] Emisný limit [mg.m-3]od do TZL NOx CO Formaldehyd1)

Vznetové (dieselové) motory ≥ 0,3 < 3 202), 1303) 1 000, 4 0004) 650 60

≥ 3 < 5 202), 1303) 500, 2 0004) 650 60≥ 5 202) 5), 1303) 500, 6006) 650 60

Zážihové (plynové) motory ≥0,3 < 1 201), 1302) 500, 8007) 650, 1 3003) 60≥ 1 202)5), 1303) 2508), 5009) 650, 1 3003) 60

Dvojpalivové motory

Plynné palivá ≥ 1 202) 500 650, 1 3003) 60Kvapalné palivá ≥ 1 205), 130 600 650, 1 3003) 60

1) Platí na spaľovanie bioplynu; pre zariadenia povolené do 1. januára 2013 platí od 1. januára 2016.2) Platí na spaľovanie plynných palív v zriadeniach povolených od 1. januára 2014; pre ZPN z verejnej distribučnej siete

a skvapalnené uhľovodíkové plyny sa špecifický emisný limit neuplatňuje.3) Platí na spaľovanie kvapalných palív povolené do 31. decembra 2013.4) Platí pre spaľovacie zariadenia s povolením vydaným do 31. augusta 2009.5) Platí pre zariadenia na spaľovanie kvapalných palív povolené od 1. januára 2014.6) Platí pre motory s MTP (5 – 20) MW s rýchlosťou otáčok ≤ 1200 rpm spaľujúce ťažký vykurovací olej a kvapalné

biopalivá/oleje.7) Platí pre dvojtaktné motory.8) Platí pre motory spaľujúce chudobnú zmes paliva.9) Platí pre motory spaľujúce štandardnú zmes paliva a obohatenú zmes paliva, ktoré sú vybavené katalyzátorom.

RETORTY•objem 4 - 12 m3

•priemer 2,4 m a výška 2,65 m•drevo priemer 8 až 20 cm•obsahu vody okolo 25 %

Parameter a rozmer Hodnota

Prietok plynu za prevádzkových podmienok [m3.h-1] 7200 ± 720

Prietok plynu za norm. podmienok (0 °C, 101,325 kPa) [m3.h-1]

2630 ± 263

Prietok plynu za norm. pod. v prepočte na suchý plyn [m3.h-1]

2440 ± 244

Fiktívna vlhkosť [kg.m-3] 0,05 ± 0,04

Teplota v komíne (v mieste merania emisií) [oC] 530 ± 80

Priemerná polhodinová koncentrácia kyslíka [%] 12 ± 4

Parametre OP z retorty o objeme 12 m3 s pôvodným systémom spaľovania pyrolýznych plynov

(s približným rozpätím hodnôt)

VÝVOJ MALEJ RETORTY SO ZNÍŽENÝMI EMISIAMI

RETORTA

•Objem 2 m3

1. fáza ohrev a sušenie

(6 h, t = 250-450°C)

2. fáza karbonizácia

(4 h, t = 450-600°C)

K1

K2 K2pohľadzo zadnej strany

Fáza I.: Ohrev a sušenie dreva

K1

K2

K1

pohľadz prednej strany

Fáza II.: Vývoj a spaľovanie pyrolýznych plynov

K1 K2Pôdorys retorty so znázornením prúdenia spalín pod retortou

Koncept hybridnej retorty typu ADAM

Čistenie PP je možné viacerými technikami. Všetky známe techniky znižovania emisií PP s výnimkou popísaného spôsobu by znamenali mnohonásobné prekročenie investičných a prevádzkových nákladov na vlastnú technológiu a preto ich z hľadiska primeranosti nákladov nemôžeme považovať za akceptovateľné pre zdroje tejto kapacity.Pre zabezpečenie minimalizácie emisií TOC sme navrhli dostavbu dopaľovacieho reaktora:•Predĺžiť zdržný čas plynov. •Okrem toho zmenou smerov prúdenia spalín (zvýšením turbulencie) je potrebné zabezpečiť lepšie vzájomné premiešavanie sa plynov pri dohorievaní.•Na základe merania optimalizovať prívod sekundárneho spaľovacieho vzduchu.

Táto práca bola podporovaná Agentúrou na podporu

výskumu a vývoja na základe zmluvy č. APVV-0353-11

„Návrh a realizácia pilotnej retorty so zníženými

emisiami na výrobu biouhlia pre marginálne zóny

a overovacie aplikácie“.

Technical University in Zvolen Faculty of Ecology and Environmental

Sciences Department of Environmental

Engineering T. G. Masaryka 24, 960 53 Zvolen

Matej Bel University Banská BystricaFaculty of Natural Sciences

Department of Environmental Management

Tajovského 40, 960 53

[email protected]@yahoo.co.uk