Současný stav spalování Současný stav spalování tuhých odpadůtuhých odpadů

Seminář „Žáruvzdorné vyzdívky spalovenSeminář „Žáruvzdorné vyzdívky spaloven““

Doc. Ing. Zdeněk Skála, CSc.Doc. Ing. Zdeněk Skála, CSc.VUT v Brně, FSI – Energetický ústavVUT v Brně, FSI – Energetický ústav

tel: 541142588 e-mail: tel: 541142588 e-mail: skala@fme.vutbr.czskala@fme.vutbr.cz

Nakládání s odpadyNakládání s odpady

• Hierarchie nakládání s odpady - waste Hierarchie nakládání s odpady - waste managmentmanagment

• Minimalizace produkce odpadu (Minimalizace produkce odpadu (obaly, redukce obaly, redukce materiálu, změna technologie )materiálu, změna technologie )

• Opětné užití, recyklace materiálová, energetickáOpětné užití, recyklace materiálová, energetická• SkládkováníSkládkování• Postupy k naplnění:Postupy k naplnění:

recyklace, materiálové tříděnírecyklace, materiálové třídění biologické biologické způsoby rozkladu org. odpaduzpůsoby rozkladu org. odpadu energetické využití energetické využití odpaduodpadu - spalování- spalování

- zplyňování- zplyňování skládkování tuhých zbytků skládkování tuhých zbytků nakládání s odpadynakládání s odpady

ISWAISWA

• ISWA - Mezinárodní organizace pro tuhé odpady ISWA - Mezinárodní organizace pro tuhé odpady

• Podpora pro energetické využívání spalovánímPodpora pro energetické využívání spalováním

• Energetické využití a termické odstraňování Energetické využití a termické odstraňování odpadů je součástí plánů odpadového hospodářstvíodpadů je součástí plánů odpadového hospodářství

• Užití spaloven v souladu s BREFUžití spaloven v souladu s BREF(Best Available Techniques Reference (Best Available Techniques Reference

Documents )Documents )

Princip postupu konverze biomasy a odpadů:Princip postupu konverze biomasy a odpadů:

SVOZSVOZ TERMOCHEMICKÁ TERMOCHEMICKÁ KONVERZEKONVERZE

ENERGIEENERGIE

- separace- separace - spalováníspalování - teploteplo

- homogenizace- homogenizace - zplyňovánízplyňování - elektřina- elektřina

ZPRACOVÁNÍZPRACOVÁNÍ - pyrolýzapyrolýza PALIVAPALIVA

BIOKONVERZEBIOKONVERZE - pevná- pevná

USKLADNĚNÍUSKLADNĚNÍ - anaerobní fermentace- anaerobní fermentace - kapalná - kapalná

- aerobní procesy- aerobní procesy - plynná- plynná

TRANSPORTTRANSPORT FYZIKOCHEMICKÁ FYZIKOCHEMICKÁ KONVERZEKONVERZE

PRODUKTYPRODUKTY

- estery- estery - chemikáliechemikálie

- materiálymateriály

Termochemické přeměnyTermochemické přeměny

• Pyrolýza - tepelný rozklad organického materiáluPyrolýza - tepelný rozklad organického materiálu

• Zplyňování - konverze tuhé (kapalné) látky na syntézní plyn Zplyňování - konverze tuhé (kapalné) látky na syntézní plyn zplyňovacími reakcemizplyňovacími reakcemi

• Spalování – exotermická oxidace zahrnující pyrolýzu, Spalování – exotermická oxidace zahrnující pyrolýzu, zplyňování, zplyňování, heterogenní a homogenní heterogenní a homogenní oxidační reakceoxidační reakce

Spalování, energetické využitíSpalování, energetické využití

• US 30 mil t/r US 30 mil t/r Evropa 55mil t/rEvropa 55mil t/r

Japonsko 40mil t/rJaponsko 40mil t/rOstatní 25 mil t/rOstatní 25 mil t/r

• Spalování – odhad 150 mil t/r, skládkování 1 bilion t/rSpalování – odhad 150 mil t/r, skládkování 1 bilion t/r

• Počet WTE (spaloven s využitím energie) Počet WTE (spaloven s využitím energie) > > 600 600 od roku 1995 postaveno 164 WTE , v USA 0od roku 1995 postaveno 164 WTE , v USA 0

B.M.Jenkins,R.B. Williams, California Integrated Waste Man. Board, April 2006, Sacramento, USAB.M.Jenkins,R.B. Williams, California Integrated Waste Man. Board, April 2006, Sacramento, USA

Technologie energetického využíváníTechnologie energetického využívání

• Konsolidované procesy (komerční) - spalováníKonsolidované procesy (komerční) - spalování

• Pilotní procesy (vývoj) - pyrolýzaPilotní procesy (vývoj) - pyrolýza- zplyňování- zplyňování- nízkoteplotní plazma- nízkoteplotní plazma

(t… 2000 - 3000 (t… 2000 - 3000 ººC, zatím pouze C, zatím pouze nebezpečné odpady)nebezpečné odpady)

• EUEUpočet spaloven 229, roštové kotle 224, fluidní kotle počet spaloven 229, roštové kotle 224, fluidní kotle

2 , zplyňování 3)2 , zplyňování 3)

Vaccani,ZweigVaccani,Zweig&&Associates, July 2005Associates, July 2005

Technologie spalováníTechnologie spalování

• Rošty - vysoká flexibilita typu odpadu,velikosti a sezónních změnRošty - vysoká flexibilita typu odpadu,velikosti a sezónních změn

• Fluidní ložeFluidní lože - nízká emisní úroveň- nízká emisní úroveň- vysoký stupeň homogenizace odpadu- vysoký stupeň homogenizace odpadu- vyžaduje úpravu odpadu (separace, drcení apod.)- vyžaduje úpravu odpadu (separace, drcení apod.)

• Rotační pec Rotační pec - flexibilita odpadu (kapalný, pastózní, tuhý) - flexibilita odpadu (kapalný, pastózní, tuhý) - nízká účinnost energetického využití- nízká účinnost energetického využití

Typy spalovacích pecíTypy spalovacích pecí

• Diskontinuální (vsázková) pec Diskontinuální (vsázková) pec (jednoduchá (jednoduchá – pevný rošt, mechanická vsázka,odpopelňování),– pevný rošt, mechanická vsázka,odpopelňování),

• Kontinuální pece – ohništěKontinuální pece – ohniště (nepřetržitý (nepřetržitý provoz 24 h, výkon provoz 24 h, výkon >>100 t/d), rošty 300 – 500 t/d, 100 t/d), rošty 300 – 500 t/d, dokonalé spalování dokonalé spalování (sušení, zapálení ,hoření, dohoření)(sušení, zapálení ,hoření, dohoření)

• Rotační pece (průmyslový odpad,pevný kapalný, pastózní) utilizace tepla, Rotační pece (průmyslový odpad,pevný kapalný, pastózní) utilizace tepla, chlazené stěny,parní kotel,chlazené stěny,parní kotel,

• Fluidní reaktory (upravený odpad,pastózní odpad),Fluidní reaktory (upravený odpad,pastózní odpad),

• Pece na tavení popela - hořákové Pece na tavení popela - hořákové - obloukové elektrické- obloukové elektrické

Nařízení vlády č.554 / 2002 Sb.Nařízení vlády č.554 / 2002 Sb.§5 – provozní podmínky§5 – provozní podmínky

a) dokonalé vypálení, škvára a popel a) dokonalé vypálení, škvára a popel < 3< 3% C% Corg org (ztráta žíháním (ztráta žíháním << 5% hmotnosti suchého 5% hmotnosti suchého

materiálu)materiálu)

b) podtlak v zásobníku odpadu b) podtlak v zásobníku odpadu (zápach)(zápach)

c) spaliny 850c) spaliny 850ººC po dobu 2s za posledním přívodem vzduchuC po dobu 2s za posledním přívodem vzduchu

d) nebezpečný odpad 1100 d) nebezpečný odpad 1100 ººC C (halogeny Cl (halogeny Cl >> 1%) 1%) po dobu 2s za posledním po dobu 2s za posledním přívodem vzduchupřívodem vzduchu

e) pomocný hořák automaticky udržující teplotu 850e) pomocný hořák automaticky udržující teplotu 850ººC C (1100(1100ººC )C )

f) Spouštění a odstavování možné jen s povolenými palivy f) Spouštění a odstavování možné jen s povolenými palivy (plynový olej, ZP)(plynový olej, ZP)

- Spoluspalovací zařízení pro dodržení teplotních podmínekSpoluspalovací zařízení pro dodržení teplotních podmínek

- Automatický systém dávkování odpadů zabraňující přívodu pokud:Automatický systém dávkování odpadů zabraňující přívodu pokud:- je při spouštění t je při spouštění t << 850 850ººC C - je vždy při provozu t je vždy při provozu t << 850 850ººCC- vždy při překročení emisních limitůvždy při překročení emisních limitů

Přibližné typické hodnoty výsledků fyzikálních rozborů a výhřevnosti domovního odpaduPřibližné typické hodnoty výsledků fyzikálních rozborů a výhřevnosti domovního odpadu

• Upraveno dle Tchobanoglous et al. 1993; Robinson, 1986; Mortensen 1993Upraveno dle Tchobanoglous et al. 1993; Robinson, 1986; Mortensen 1993

Palovací pece,diskontinuální,rotačníPalovací pece,diskontinuální,rotační

Roštové kotleRoštové kotle

Pec s fluidní vrstvouPec s fluidní vrstvou

Spalovací komora roštových kotlůSpalovací komora roštových kotlů

Spalovna tuhého komunálního odpaduSpalovna tuhého komunálního odpadu

Příklad spalovny odpadů:Příklad spalovny odpadů:

VyzdívkaVyzdívka

• Ochrana ohniště, spalinovodů, násypky paliva před agresivními Ochrana ohniště, spalinovodů, násypky paliva před agresivními spalinamispalinami

• Vytváření optimálních podmínek pro spalování odpadu (tepelná Vytváření optimálních podmínek pro spalování odpadu (tepelná izolace)izolace)

• Opotřebení vyzdívky – dle místa aplikaceOpotřebení vyzdívky – dle místa aplikaceabraze – otěrabraze – otěrkorozekorozetepelné namáhání, tepelné šokytepelné namáhání, tepelné šoky

adheze tavenin,penetrace eutektik a solí adheze tavenin,penetrace eutektik a solí do matrice vyzdívkydo matrice vyzdívky chemické působeníchemické působení

Teploty tavení některých složek:Teploty tavení některých složek:

• Shinagawa Technical Report vol.36-1993Shinagawa Technical Report vol.36-1993

SložkaSložka Teplota Teplota tavení tavení [º[ºCC]]

NaClNaCl 800800

KClKCl 776776

CaClCaCl22 772772

FeClFeCl33 282282

KaKa22SOSO44 884884

NaNa22SS22OO77 400400

KK22SS22OO77 335335

3 K3 K22SS22OO7 7 * Na* Na22SS22OO77 280280

NaNa33Fe(SOFe(SO44))33 624624

KK33Fe(SOFe(SO44))33 618618

NaNa33Fe(SOFe(SO44))3 3 * K* K33Fe(SOFe(SO44))33 552552

NaNa33Al(SOAl(SO44))33 646646

Provozní opatření k omezení škvárováníProvozní opatření k omezení škvárování

• Provoz Provoz - homogenizace odpadu v bunkru- homogenizace odpadu v bunkru- zabránění profukování- zabránění profukování

- řízení výstupní teploty- řízení výstupní teploty- snížení výkonu linky- snížení výkonu linky

• Projekt - návrh chlazení vyzdívky Projekt - návrh chlazení vyzdívky – parní ofukování– parní ofukování– chlazení vzduchem– chlazení vzduchem– vodním sprejem– vodním sprejem– vzduchové chlazení – vzduchové chlazení

vyzdívkyvyzdívky

- recirkulace spalin- recirkulace spalin - výběr vyzdívky (šamot, SiC)- výběr vyzdívky (šamot, SiC)

• Při spoluspalování Při spoluspalování - odstranění složek způsobující - odstranění složek způsobující škvárováníškvárování - snížení výkonu linky- snížení výkonu linky

Provozní podmínky vyzdívekProvozní podmínky vyzdívek

Roštové kotleRoštové kotleFluidní Fluidní pecepece

Rotační Rotační pecepece

NásypkaNásypka Spalovací Spalovací komorakomora

Spalinové Spalinové kanálykanály

Provozní Provozní podmínkypodmínky - mechanický - mechanický

otěrotěr

- změny teplot - změny teplot

- vysoká teplotavysoká teplota

- adheze tavenin adheze tavenin

- otěr- otěr

- - pronikání pronikání sloučeninsloučenin

- změny teploty- změny teploty

- kontakt s vodou- kontakt s vodou

- smíchání - smíchání odpadů s pískemodpadů s pískem

- pronikání - pronikání nečistotnečistot

- rotace odpadůrotace odpadů

- změny teplotzměny teplot

Charakter Charakter vyzdívkyvyzdívky odolnost proti:odolnost proti:

- změnám - změnám teplotyteploty

- otěru- otěru

odolnost proti odolnost proti

- adheziadhezi

- alkáliímalkáliím

- korozikorozi

- oxidacioxidaci

-abraziiabrazii

odolnost proti:odolnost proti:

- změnám teplotzměnám teplot

- alkáliím alkáliím

- voděvodě

odolnost proti:odolnost proti:

- abraziabrazi

- alkáliímalkáliím

odolnost proti:odolnost proti:

- změnám - změnám teplotyteploty

- otěru- otěru

VyzdívkaVyzdívka

šamotové cihlyšamotové cihly

Šamotové cihlyŠamotové cihly

Si-C cihlySi-C cihly

plastickáplastická

odlévatelná odlévatelná (fookret)(fookret)

odlévatelnáodlévatelnášamotové cihlyšamotové cihly

odlévatelnáodlévatelná

šamotové cihlyšamotové cihly

Si-C cihlySi-C cihly

odlévatelná odlévatelná

Spalování SKO, akceptance, obavySpalování SKO, akceptance, obavy

• Soutěž mezi snižováním odpadů, recyklací, znovuužitím Soutěž mezi snižováním odpadů, recyklací, znovuužitím - zvyšování množství odpadů, Holandsko, Švédsko - zvyšování množství odpadů, Holandsko, Švédsko

nárůst recyklacenárůst recyklace

• Dioxin Dioxin - - MACT standard podstatně snížil emise dioxinu (99%) MACT standard podstatně snížil emise dioxinu (99%) - - výstupní koncentrace dioxinu nižší než vstupní koncentracevýstupní koncentrace dioxinu nižší než vstupní koncentrace

• HgHg- 87% emisí Hg ze spalovacích procesů- 87% emisí Hg ze spalovacích procesů- WTE odhad 19%, spalovny medicínského odpadu - WTE odhad 19%, spalovny medicínského odpadu

10%,spalování uhlí 33%, 10%,spalování uhlí 33%, - emisní limity pro spalování odpadu snížily - emisní limity pro spalování odpadu snížily

emise Hg z 29,6 t/r (1995) na 3t/r.emise Hg z 29,6 t/r (1995) na 3t/r.

EPA 1997,Williams 2006,Themelis 2005EPA 1997,Williams 2006,Themelis 2005

Graf – dioxinyGraf – dioxiny

Komplex látkového a energetického využití odpadu ve spalovně SAKO Komplex látkového a energetického využití odpadu ve spalovně SAKO BrnoBrno

• TECHNICKÉ PARAMETRY TECHNICKÉ PARAMETRY SOUČASNÉ SPALOVNYSOUČASNÉ SPALOVNY

• 3 kotle à 15 t/h odpadu,3 kotle à 15 t/h odpadu,• parní výkon kotle 40 t/h,parní výkon kotle 40 t/h,• parametry páry p = 1,3 MPa, t = 230 parametry páry p = 1,3 MPa, t = 230

°C,°C,• roční kapacita plánovaná 240 000 t/r.roční kapacita plánovaná 240 000 t/r.

Energetický potenciál 1 t odpadu o Energetický potenciál 1 t odpadu o výhřevnosti 12 MJ/kg při současné výhřevnosti 12 MJ/kg při současné technické úrovni technologie v Evropě technické úrovni technologie v Evropě činí 750 – 760 kWh/t.činí 750 – 760 kWh/t.

VýhřevnostVýhřevnost kJ / kgkJ / kg 10 00010 000 11 00011 000 12 00012 000

Tepelná Tepelná energieenergie GJGJ 1010 1111 1212

Účinnost Účinnost kotlekotle -- 0,850,85 0,850,85 0,850,85

Tepelná Tepelná energie páryenergie páry GJGJ 8,58,5 9,359,35 10,210,2

Účinnost Účinnost přeměnypřeměny -- 0,2950,295 0,2950,295 0,2950,295

Elektrická Elektrická energieenergie GJGJ 0,50,5 2,762,76 3,013,01

Elektrická Elektrická energie energie kWhkWh 694694 766766 836836

Vlastní Vlastní spotřeba *spotřeba * kWhkWh 7979 7979 7979

Elektrická Elektrická energie energie (netto)(netto)

kWhkWh 615615 687687 757757

Informativní tabulka energetického potenciálu SKOpři výrobě elektrické energie

* vlastní spotřeba pro provoz 1 kotel + 1 linky čištění spalin,1,2 MWh

Komplex látkového a energetického využití odpadu ve spalovně SAKO Komplex látkového a energetického využití odpadu ve spalovně SAKO BrnoBrno

• KAPACITA SPALOVNY – PROJEKTKAPACITA SPALOVNY – PROJEKT

• parametry páry:parametry páry: 4 MPa, 400 °C4 MPa, 400 °C[i[ipp = 3215 kJ/kg, i = 3215 kJ/kg, ipp (0,9 MPa) = 2850 kJ/kg, (0,9 MPa) = 2850 kJ/kg,

iipp (0,01 MPa) = 2150 kJ/kg] (0,01 MPa) = 2150 kJ/kg]• výhřevnost odpadu: výhřevnost odpadu: 11 – 12 MJ/kg; 11 – 12 MJ/kg;

pro bilanční výpočet pro bilanční výpočet 11,5 MJ/kg 11,5 MJ/kg• množství odpadu za 1 rok (tok odpadu) 220 000 tmnožství odpadu za 1 rok (tok odpadu) 220 000 t• vstupní energie do systémuvstupní energie do systému 2 530 000 GJ2 530 000 GJ• účinnost kotleúčinnost kotle kk = 85% = 85%• vstupní energie páryvstupní energie páry 2 150 500 GJ2 150 500 GJ• vlastní spotřebavlastní spotřeba 100 000 GJ100 000 GJ• energie vyrobené páry – nettoenergie vyrobené páry – netto 2 050 500 2 050 500

GJGJ• dodávka tepla (bez změny)dodávka tepla (bez změny) 690 000 GJ690 000 GJ• energie pro výrobu elektrické energie energie pro výrobu elektrické energie 1 360 500 1 360 500

GJGJ• účinnost přeměnyúčinnost přeměny TT = 25% = 25%• vyrobená elektrická energievyrobená elektrická energie 340 125 GJ340 125 GJ

94 500 MWh94 500 MWh• parní výkon kotlů 2 x 50 t/h parní výkon kotlů 2 x 50 t/h 100 t/h100 t/h

VÝKON TURBÍNYVÝKON TURBÍNY

• Léto (max) Léto (max) PPLL = 27,7*0,85*(3214-2150)*0,8 = 20044,41 kW = 27,7*0,85*(3214-2150)*0,8 = 20044,41 kW ~~ 20 MW 20 MW

• Zima (veškerá pára do odběru)Zima (veškerá pára do odběru)PPZZ = 27,7*0,85*(3214-2850)*0,75 = 6427 kW = 27,7*0,85*(3214-2850)*0,75 = 6427 kW ~~ 6,5 MW 6,5 MW

• Produkce elektrické energie (brutto)Produkce elektrické energie (brutto)provozní hodiny 7 000 hprovozní hodiny 7 000 h

• PPLL = 20 * 3500 = 70 000 = 20 * 3500 = 70 000 MWhMWh• PPZZ = 6,5 * 3500 = = 6,5 * 3500 = 22 750 22 750 MWhMWh

ΣΣ 92 750 92 750 MWh;MWh;

• SOUČASNÝ STAV SPALOVNY – SOUČASNÝ STAV SPALOVNY – BILANCEBILANCE

• hmotnost spalovaného SKO za rok hmotnost spalovaného SKO za rok 100 000 t 100 000 t• výroba teplavýroba tepla 690 000 GJ 690 000 GJ• průměrná výhřevnost odpaduprůměrná výhřevnost odpadu 10 GJ/t 10 GJ/t• vstupní energie (potenciál)vstupní energie (potenciál) 1 000 000 GJ 1 000 000 GJ• účinnost kotlůúčinnost kotlů kk = 76% = 76%• energie vyrobené páryenergie vyrobené páry 760 000 GJ 760 000 GJ• vlastní spotřeba vlastní spotřeba (4,2 t/h, 7 000 h, 29 160 (4,2 t/h, 7 000 h, 29 160

t/r)t/r)70 000 GJ70 000 GJ

• vyrobená pára – netto (dodávka)vyrobená pára – netto (dodávka) 690 000 G 690 000 G

• Děkuji Vám za pozornostDěkuji Vám za pozornost