Tekst referatu w formacie - Przemysłowy Instytut Elektroniki

Tekst referatu w formacie - Przemysłowy Instytut Elektroniki

I Krajowa Konferencja Naukowo-Techniczna „EKOLOGIA W ELEKTRONICE”
Przemysłowy Instytut Elektroniki
Warszawa, 16-17.10.2000
URZĄDZENIE DO TERMICZNEJ UTYLIZACJI
ODPADÓW NIEBEZPIECZNYCH
Maciej WIĘCH, Józef WIECHOWSKI
Przemysłowy Instytut Elektroniki
00-241 Warszawa, ul. Długa 44/50, tel. 831 61 70, e-mail: [email protected]
W referacie omówiono aktualne przepisy prawne dotyczące gospodarki zużytymi urządzeniami elektronicznymi i elektrotechnicznymi, zaprezentowano metodę
pirolitycznego niszczenia odpadów oraz przedstawiono przebieg dotychczasowych
prac oraz wyniki badań eksploatacyjnych zbudowanego w Przemysłowym Instytucie Elektroniki urządzenia do niszczenia metodą pirolizy i katalitycznego dopalania spalin niebezpiecznych odpadów szpitalnych.
1. WPROWADZENIE
Wzrastająca lawinowo w ostatnich latach ilość odpadów elektronicznych rodzi konieczność znalezienia sposobów ich utylizacji, odpowiednich z ekonomicznego, technologicznego i społecznego punktu widzenia.
Podstawową, powszechnie stosowaną metodą niszczenia odpadów jest ich termiczna
utylizacja składająca się z czterech podstawowych elementów:
− spalania lub innej metody termicznej
− oczyszczania gazów spalinowych
− utylizacji stałych i ciekłych pozostałości po procesowych
− wykorzystania wytworzonej energii.
Wynikiem termicznej utylizacji odpadów jest zmniejszenie ich objętości do ok. 10%
i masy do 20% z równoczesną minimalizacją negatywnego oddziaływania na środowisko produktów procesu.
W latach 1995-1997 w Przemysłowym Instytucie Elektroniki opracowano konstrukcję urządzenia do bezpiecznego i ekologicznie czystego niszczenia niebezpiecznych,
178
wyselekcjonowanych odpadów medycznych opartą na technologii pirolizy materiału
odpadowego i dopalaniu katalitycznym powstałych, palnych gazów. Z przeprowadzonych analiz powstających odpadów szpitalnych wynika, że istotną ich cześć stanowią
odpady organiczne pochodzenia sztucznego (tworzywa) oraz przeterminowane lub
zniszczone medykamenty. W skrajnych przypadkach stanowić one mogą 70% ogólnej
masy odpadów.
Przeprowadzone próby technologiczne urządzenia wykazały dobrą skuteczność w
zakresie ograniczenia emisji substancji chemicznych.
Zbudowane urządzenie stanowi oryginalne rozwiązanie konstrukcyjne, które po
wprowadzeniu niewielkich zmian może służyć do prowadzenia prób termicznego niszczenia odpadów elektronicznych.
2. UREGULOWANIA PRAWNE
W dniu 27 czerwca 1997r. Sejm RP uchwalił ustawę o odpadach. Jest to całkowicie
nowa ustawa nie mająca odpowiednika we wcześniejszym polskim prawodawstwie [1].
Na mocy powyższej ustawy MOŚZNiL rozporządzeniem z dn. 24 grudnia 1997r. zakwalifikowało zużyte urządzenia elektroniczne i elektrotechniczne wraz z transformatorami i kondensatorami zawierającymi PCB lub PCT oraz bateriami i akumulatorami do
grupy 16 „Odpadów różnych, nie ujętych w innych grupach”.
Powyższe rozporządzenie publikuje „Listę odpadów niebezpiecznych oraz sposób zagospodarowania tych odpadów”, na której znalazły się:
− transformatory i kondensatory zawierające PCB lub PCT,
− baterie i akumulatory ołowiowe oraz niklowo-kadmowe
− suche ogniwa rtęciowe
− elektrolit z baterii i akumulatorów.
Zużyte urządzenia elektroniczne i elektrotechniczne rozporządzenie kwalifikuje jako
odpady do wykorzystania w celach przemysłowych.
Zdaniem autorów do odpadów niebezpiecznych winny być zakwalifikowane moduły
urządzeń elektronicznych, które zawierają metale ciężkie (ołów, rtęć, kadm, chrom), a
także arsen, bromowane substancje zmniejszające palność i w mniejszym stopniu polichlorowane bifenyle (PCB) czy polichlorek winylu (PCV).
3. DLACZEGO PIROLIZA?
Piroliza to rozkład chemiczny lub zmiana składu chemicznego substancji spowodowana podgrzewaniem w atmosferze beztlenowej w stosunkowo niskich temperaturach
400÷700°C, a endotermiczny charakter sprawia, że jest on stosunkowo łatwy do kontrolowania.
W ostatnim czasie coraz częściej spotyka się doniesienia literaturowe dotyczące prób
zastosowania pirolizy do niszczenia uciążliwych i niebezpiecznych odpadów przemysłowych takich jak:
− suche baterie oraz akumulatory [2],
− zużyty sprzęt medyczny jednorazowego użytku [3]
− odpady lakiernicze [4]
− opakowania z tworzyw sztucznych i aluminium z odzyskiem aluminium do powtórnego przetwarzania,
− sprzęt elektroniczny [5].
179
Piroliza jako proces przetwarzania materiałów odpadowych charakteryzuje się wieloma zaletami, z których najważniejsze to:
− niska temperatura w porównaniu do metod płomieniowych; ogranicza to powstawanie toksycznych substancji w gazach odlotowych, a zatem nie wymaga wyposażania
urządzeń w drogie i rozbudowane systemy oczyszczania spalin,
− brak płomienia powoduje brak w fazie gazowej cząsteczek lotnych popiołów, na
których osadzają się substancje szkodliwe; nie ma zatem potrzeby stosowania systemów odpylających,
− niska temperatura zmniejsza korozję ograniczając koszty eksploatacyjne umożliwiając jednocześnie odzyskanie z produktów popirolitycznych surowców wtórnych, w
tym, co szczególnie ważne przy niszczeniu odpadów elektronicznych, metali nieżelaznych,
− uzyskiwanie gazów pirolitycznych o dużej wartości opałowej może służyć przez
kontrolowane ich spalanie do podtrzymywania endotermicznego procesu pirolizy,
− produkty pirolizy po dopaleniu do popiołu można magazynować i poddawać dalszej
przeróbce w celu odzysku zawartych w nim metali, a następnie zestalania (np. witryfikacji)
− możliwość stosowania do utylizacji małej lub dużej ilości odpadów [6].
4. URZĄDZENIE DO TERMICZNEJ UTYLIZACJI ODPADÓW
NIEBEZPIECZNYCH
4.1. Budowa urządzenia
Zbudowane w Przemysłowym Instytucie Elektroniki urządzenie do spalania niebezpiecznych odpadów szpitalnych składa się z oddzielnych modułów połączonych rurociągiem (rys. 1). Poniżej przedstawiono krótki opis budowy poszczególnych modułów z
zaznaczeniem funkcji, którą pełnią w urządzeniu.
Odpady przeznaczone do destrukcji umieszcza się w komorze pirolizy (1) i poddaje
obróbce termicznej w zakresie temperatur do 600÷650°C wg opracowanego programu
czasowo-temperaturowego. Produkty pirolizy podawane są do reaktora katalitycznego
(2), gdzie zostają dopalone do dwutlenku węgla (CO2) i wody (H2O), a następnie przechodzą do chłodnicy (3). Szybkie schładzanie gazów wychodzących z katalizatora zapobiega syntezie de-novo związków chloroorganicznych, jak również powoduje wykraplanie pary wodnej powstającej w trakcie procesu niszczenia odpadów.
Zastosowany w urządzeniu system dodatkowego oczyszczania gazów składających
się z neutralizatora (5) i absorbera (4) spełnia zadanie absorpcji części kwaśnych zawartych w gazach odlotowych powstałych w wyniku utleniania związków chloru i siarki
oraz wychwyt pozostałości związków organicznych.
Cała instalacja pracuje w podciśnieniu rzędu 10-70 mm H2O realizowanym za pomocą promieniowego wentylatora (6), co uniemożliwia wydostawanie się produktów pirolizy do pomieszczenia.
180
Z4
1
Z3
Z2
Z5
2
3
Z1
5
7
1. Piec pirolityczny
2. Reaktor katalityczny
3. Chłodnica gazów
4. Absorber węglowy
5. Neutralizator
6. Wentylator
7. Grzałka
Z1 Zawór chłodzenia
4
6
Z2 Przepustnica dławiąca
Z3 Zawór azotu
Z4 Zawór tlenu
Z5 Zawór wody
Rys.1 Schemat urządzenia do spalania odpadów szpitalnych;
pojemność komory pirolizy 140 dcm3
4.2. Sterowanie urządzenia
Funkcje kontrolno-pomiarowe i regulacyjne w urządzeniu zrealizowano na bazie sterownika mikroprocesorowego PLC GE FANUC zawierającego następujące moduły:
− jednostka centralna 5-cio slotowa 6kb model JC 693 CPU 311
szt. 1
− zasilacz typ JC 693 PWR 321
szt. 1
− moduł wejść cyfrowych 7 ms typ JC 693 MDL 645
szt. 1
− moduł wyjść cyfrowych typ JC 693 MDL 742
szt. 1
− moduł wejść analogowych 4020 mA 12 bit 4 kanały typ JC 693 ALG 221 szt. 2
− moduł wyjść analogowych 4-20 mA 12 bit 2 kanały typ JC 693 ALG 391 szt. 1
− panel operatorski typ HE 693 OJU 157
Zadaniem sterownika jest prowadzenie i kontrola procesu technologicznego urządzenia w zakresie:
− programowego sterowania temperaturą pieca, katalizatora oraz rurociągu łączącego
neutralizator z absorberem
− pomiarów i regulacji ciśnienia w komorze pirolizy przez zmianę ciągu silnika wentylatora,
− pomiarów i regulacji ciśnienia w absorberze,
− sterowania zaworami N2, O2 i H2O oraz powietrza,
− blokady drzwi w trakcie trwania procesu,
− informowania o stanach awaryjnych.
Schemat blokowy sterowania przedstawiono na Rys. 2.
181
4.3. Próby i badania urządzenia
Zbudowane w ramach prowadzonych w Przemysłowym Instytucie Elektroniki prac
urządzenie poddano:
− próbom technologicznym, których celem było sprawdzenie działania urządzenia na
zgodność z przyjętą technologią,
− badaniom eksploatacyjnym obejmującym spalanie różnych odpadów szpitalnych.
Celem prowadzonych badań eksploatacyjnych było:
− określenie parametrów pracy urządzenia modelowego do spalania różnego typu odpadów szpitalnych w zakresie doboru programów temperaturowo - czasowych procesu, określenie maksymalnych temperatur pracy komory pirolitycznej oraz katalizatora, czasu dopalania powstałego w wyniku procesu pirolizy węgla do popiołu.
− określenie składu jakościowego i ilościowego produktów pirolizy.
− określenie stężeń substancji chemicznych w emisji gazów z urządzenia do atmosfery
(SO2, CO, NOx, CxHx ) w tym zawartości masowej polichlorowanych dibenzoparadioksyn i dibenzofuranów
− określenie ilości powstałych w wyniku termicznej utylizacji odpadów pozostałości
(popiół, ściek z układu chłodzenia)
oceny w wyniku wykonanych badań poprawności konstrukcji, doboru materiałów i awaryjności urządzenia modelowego
25
A. Poziom zanieczyszczeń gazów wylotowych w funkcji czasu z
urządzenia.
20
200
150
[%] 15
100[mg]
10
50
5
0
0
2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10
t [ h ] co[mg]
O2[%]
co2[%]
so2[mg]
183
B. Poziom zanieczyszczeń gazów wylotowych z komory pyrolizy w
funkcji czasu.
20
5000
4000
15
3000
[ppm]
2000
[%] 10
5
1000
0
0
2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9
CO[%]
t[h]
CO2[%]
O2[%]
CxHx[ppm]
C. Przebieg temperatury komory pirolizy i katalizatora
T[C]
800
700
600
500
400
300
200
100
0
2
2,5
3
3,5 3,8
4
t-kom.pirolizy
4,5
5
6
6,5 7,5
t-kat.górna
8
8,5
9
10 t[ h ]
t-kat.środek
Rys.3. Poziomy zanieczyszczeń gazowych z urządzenia, komory pirolizy oraz przebieg temperatury komory pirolizy i katalizatora w procesie niszczenia organicznych odpadów szpitalnych
(wsad kontrolowany).
Badanie składu produktów pirolizy oraz substancji chemicznych emitowanych do atmosfery wykonano metodami chromatograficznymi oraz automatycznymi analizatorami
gazów spalinowych. Analizy chromatograficzne wykonano przy współpracy z Politechniką Krakowską oraz Wojskową Akademią Techniczną w Warszawie.
W trakcie prowadzenia badań eksploatacyjnych urządzenia poddawano spalaniu:
− zamodelowane wsady kontrolowane odpadów pochodzenia naturalnego i sztucznego
(bawełna, tworzywa sztuczne)
− organiczne odpady pochodzenia naturalnego (martwe zwierzęta doświadczalne).
184
Skład jakościowy wsadów opracowano we współpracy z Terenową Stacją SanitarnoEpidemiologiczną w Szczytnie na podstawie analizy odpadów powstających w miejscowym szpitalu. Wsad poddawany utylizacji zawierał bawełnę (30%), polipropylen (15%),
polistyren(5%), polietylen (40%) i polichlorek winylu (10%).Jednakowy skład jakościowy wsadów pozwalał na obserwację zmiany składu gazów pirolitycznych przy różnych przebiegach temperaturowych w komorze pirolizy.
Na rysunku 3A przedstawiono poziom zanieczyszczeń gazów wylotowych do atmosfery podczas spalania wsadów kontrolowanych w funkcji czasu a zatem wzrastającej jak na rys. 3C temperaturze komory pirolizy. W gazach wylotowych nie stwierdzono
obecności tlenków azotu. Poziom dwutlenku siarki SO2 i tlenku węgla CO przeliczony
został do zawartości 11% tlenu O2 w gazach spalinowych. Analiza zawartości masowej
PCDFs/PCDDs w gazach wylotowych z urządzenia była na poziomie 0,16 ng ITEQ/Nm3
i stanowiła wartość średnią z całego procesu spalania.
Rys. 3B przedstawia poziom zanieczyszczeń gazów wylotowych z komory pirolizy
w funkcji czasu trwania procesu (wzrostu temperatury w komorze pirolizy) oraz zawartości tlenu.
Badania chromatograficzne gazów wychodzących z komory pirolizy pozwoliły na
zdefiniowanie ich składu . W gazach pirolitycznych wyodrębniono ponad 90 substancji
chemicznych wśród których w większych ilościach występowały: benzen, toluen, 2,4dimetylo-1-hepten,etylobenzen,styren,1,3-dimetylobenzen, bezwodnik ftalowy, ftalan
bis.
Na podstawie przeprowadzonych badań eksploatacyjnych opracowano optymalny
przebieg temperatury w komorze pirolizy, który przedstawiono na rys. 3c. Wartości
graniczne podciśnienia w komorze pirolizy utrzymywano podczas prowadzenia procesów w zakresie 4÷15 mm H2O.
Dzięki zastosowaniu w badanym urządzeniu technologii pirolitycznego rozkładu
odpadów z katalitycznym dopalaniem spalin, jedynymi produktami po procesie były
popiół i ścieki z układu chłodzenia.
Ilości popiołów określano po procesie metodą wagową i kształtują się one na poziomie:
− dla wsadów pochodzenia organicznego sztucznego 2% pierwotnej masy wsadu
− dla wsadów pochodzenia organicznego naturalnego 1÷1,5% pierwotnej masy wsadu.
Ilość powstającego ścieku z układu chłodzenia przedstawia się następująco :
− dla wsadów pochodzenia organicznego sztucznego 15÷20% pierwotnej masy wsadu,
− dla wsadów pochodzenia organiczego naturalnego 75÷80% pierwotnej masy wsadu.
Ściek wykazywał odczyn kwaśny (pH 2÷5) i był mieszaniną kwasów azotowego i
siarkowego.
Po wykonaniu prób technologicznych i badań eksploatacyjnych dokonano przeglądu
urządzenia w celu oceny zaprojektowanej i wykonanej konstrukcji. Mimo bardzo agresywnego charakteru produktów pirolizy i gazów wychodzących z dopalacza katalitycznego nie stwierdzono:
− nadmiernych ubytków korozyjnych poszczególnych bloków urządzenia oraz miejsc
spawanych,
− zniszczenia uszczelek łączących rurociągi oraz innych elementów instalacji.
Według wstępnie przeprowadzonej analizy koszt niszczenia odpadów w urządzeniu
kształtuje się na poziomie 1.7 zł/kg.
185
W sumie w wyniku prowadzonych badań przeprowadzono 34 procesy spalania w urządzeniu modelowym poddając destrukcji ok. 300 kg odpadów. Łącznie podczas prób
technologicznych i badań eksploatacyjnych urządzenie przepracowało ok. 700 godzin.
5. PODSUMOWANIE
Przedstawione wyniki dotychczasowych badań potwierdziły przydatność urządzenia
do niszczenia wyselekcjonowanych niebezpiecznych odpadów szpitalnych w zakresie:
− niskich poziomów emitowanych zanieczyszczeń, praktycznie mieszczących się w
dopuszczalnych poziomach emisji obowiązujących w krajach UE
− stosunkowo niskich kosztów eksploatacji
W stosowanych do tej pory spalarniach, gazy powstałe w procesie pirolizy dopala się
wprowadzając wtórne powietrze w termoreaktorach w temperaturze 1200°C. Zastosowanie dopalacza katalitycznego zapobiega zachodzeniu reakcji rodnikowych w warunkach płomienia oraz tzw. syntezie de-novo, wskutek której odtwarzają się polichlorowane dibenzodioksyny i dibenzofurany, oraz inne, toksyczne związki chloroorganiczne.
Większość współcześnie działających spalarni odpadów szpitalnych opartych jest właśnie na technologiach z dopalaniem spalin w płomieniu. Efektem takich technologii jest
konieczność stosowania złożonych a zatem kosztownych systemów oczyszczania gazów
spalinowych. Instalacje z katalitycznym dopalaniem spalin gwarantują znacznie niższe
poziomy emisji związków chloroorganicznych oraz związane z tym niższe koszty
oczyszczania spalin.
Mankamentem zbudowanego urządzenia jest dość długi czas pirolizy (10 h) materiałów odpadowych co ogranicza jego wydajność. W chwili obecnej przy pojemności
komory pirolizy 140 dcm3 w urządzeniu jednorazowo można poddać procesowi destrukcji 15 ÷ 20 kg odpadów. Podwojenie wydajności urządzenia można osiągnąć przy zastosowaniu w urządzeniu naprzemiennie pracujących 2-ch komór pirolitycznych.
Uzyskane wyniki badań pozwalają na następujące stwierdzenie:
− celowym jest prowadzenie dalszych badań nad niszczeniem niebezpiecznych odpadów, w tym odpadów elektronicznych, przy zastosowaniu metody pirolizy,
− zastosowana w urządzeniu technologia niszczenia odpadów stanowi alternatywę dla
pracujących spalarni płomieniowych,
− bez zdobywania doświadczeń eksploatacyjnych – pozytywnych i negatywnych –
metody pirolitycznego niszczenia niebezpiecznych odpadów nigdy nie będą mogły
wyjść z tzw. okresu rozwoju wieku dziecięcego.
LITERATURA
1. Agencja Ochrony Środowiska w Koszalinie: Suplement nr 3 do poradnika, wydanie 1999. Aktualne Przepisy o Ochronie Środowiska.
2. Ammann P.: Advantages of pyrolisis inrecycling of dry batteries: The recytec
process, Congress Preceedings R’95 Recovery, Recycling Re-integration, Genewa, 1995.
3. SobolewskiA., Haberski A.: Termiczne unieszkodliwianie zużytego sprzętu medycznego jednorazowego użytku, Materiały II Ogólnopolskiego Sympozjum
„Spalanie odpadów przemysłowych – technologie i problemy”, Łódź, 1995.
4. Tesch M., Moergeli R.: Termische Behandlung und Verglasung von Hydroxide
und Lackchlämmen Aβfalewirtschafts Journal Nr 5.7., 302-306, 1995.
186
5.
6.
Kozłowska B.: Dlaczego piroliza?, Materiały z V Jubileuszowej Konferencji
naukowo Technicznej „Termiczna Utylizacja Odpadów”, Poznań, 1998.
Pająk T.: Termiczna utylizacja odpadów komunalnych jako element współczesnej kompleksowej gospodarki odpadami, Przegląd Komunalny nr 3 (78), 1998.
SYSTEM FOR THERMAL UTILISATION OF DANGEROUS
WASTE
The paper describes the actual regulations of the management of worn electronic and
electrical devices. It presents the method of destruction the waste, based on pyrolysis.
The authors describe the course of the work done so far and the results of operation
examination of the system for dangerous hospital waste destruction. This system, built in
Industrial Institute of Electronics, after pyrolysis is using the catalytic after-burning. The
achieved results show that the continuation of the research of dangerous waste utilisation
on base of pyrolysis is advisable as competitive method for flame burning.
187