Analiza możliwości ograniczenia emisji zanieczyszczeń powietrza z
Transkrypt
Analiza możliwości ograniczenia emisji zanieczyszczeń powietrza z
From the SelectedWorks of Robert Oleniacz October 1, 2006 Analiza możliwości ograniczenia emisji zanieczyszczeń powietrza z instalacji spalania odpadów medycznych w Tarnowie Robert Oleniacz Available at: http://works.bepress.com/robert_oleniacz/74/ ANALYSIS OF POSSIBILITIES OF AIR EMISSIONS CONTROL FROM THE MEDICAL WASTE INCINERATION PLANT IN TARNÓW ANALIZA MOŻLIWOŚCI OGRANICZENIA EMISJI ZANIECZYSZCZEŃ POWIETRZA Z INSTALACJI SPALANIA ODPADÓW MEDYCZNYCH W TARNOWIE Robert Oleniacz Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska, Zakład Kształtowania i Ochrony Środowiska, Al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, e-mail: [email protected] Summary Initial research of effects of some factors on the amount of gaseous pollutants formation during medical waste incineration in a two-stage starved air process based on lowtemperature fluidised bed reactor was presented in the paper. Oxygen contents in flue gases, frequency waste loading, their temporary stream and temperature in the secondary combustion chambers were considered. Measurements showed that the waste incineration in large amount periodically caused excessive incomplete combustion product emissions, especially during wrong operation of the combustion system. Essential importance for reduces of carbon oxide and hydrocarbon formation has suitable excess air and increase of after-burning temperatures. Streszczenie W pracy przedstawiono wyniki wstępnych badań oceniających wpływ niektórych czynników (w tym zawartości tlenu w spalinach, częstotliwości załadunków odpadów i chwilowego ich strumienia oraz temperatury w komorze dopalania spalin) na ilość zanieczyszczeń gazowych powstających w procesie dwustopniowego spalania odpadów medycznych w instalacji opartej na niskotemperaturowym reaktorze fluidalnym. Przeprowadzone pomiary wykazały, że spalanie dużych ilości odpadów powoduje okresowo nadmierną emisję produktów niezupełnego spalania, zwłaszcza przy niewłaściwym prowadzeniu procesu spalania. Zasadnicze znaczenie w ograniczeniu ilości powstającego tlenku węgla i węglowodorów odgrywa zapewnienie odpowiedniego nadmiaru powietrza i zwiększenie temperatury w komorze dopalania. 1. Wstęp Obiektem badań była instalacja spalania odpadów medycznych o zdolności przerobowej ok. 150 kg/h, funkcjonująca od 1999 r. na terenie Szpitala im. św. Łukasza w Tarnowie. Instalację tę stanowi dwustopniowy system termicznego przekształcania odpadów Seghers Clinic Waste Degrader, oparty na reaktorze fluidalnym [1, 2]. Tego typu dwustopniowy system, wykorzystujący proces zgazowania (niezupełnego spalania) oraz dopalania gazów poprocesowych, często jest stosowany do termicznego unieszkodliwiania odpadów medycznych [3, 4, 5]. W charakterze komory zgazowania stosunkowo rzadko jest jednak wykorzystywany reaktor fluidalny. W przypadku większości instalacji o małej zdolności przerobowej z okresowym załadunkiem odpadów obserwowany jest wyraźny wpływ operacji załadunku nowej porcji odpadów na przebieg procesu ich spalania i skład unoszonych spalin [6, 7]. Instalacje spalania odpadów medycznych wybudowane np. w latach 90. nie zawsze były wyposażane w wielostopniowe systemy oczyszczania spalin, przez co – jeśli nie przeszły modernizacji tego systemu – niejednokrotnie mają mniejsze lub większe problemy ze spełnianiem niektórych z obowiązujących standardów emisyjnych [8]. Jeśli zastosowano tylko mokry system oczyszczania spalin bez wysokosprawnego urządzenia odpylającego, problem dotyczy nadmiernej emisji zanieczyszczeń występujących w fazie stałej (głównie pył i zawarte w nim metale ciężkie). Jeśli z kolei zastosowano tylko system suchy oparty na podawaniu sorbentu i odpylaniu spalin, najczęściej występuje problem z nadmierną emisją niektórych zanieczyszczeń gazowych (w tym głównie HCl) [9]. Brak skutecznej metody usuwania ze spalin zanieczyszczeń pyłowych lub gazowych wiąże się także prawie zawsze z niespełnianiem standardu emisyjnego określonego dla dioksyn i furanów, gdyż substancje te występują zarówno w fazie pyłowej, jak i gazowej. Kolejny problem stanowi niewłaściwe prowadzenie procesu termicznego przekształcania odpadów w systemach dwustopniowego spalania, spotykane wtedy, gdy nie jest narzucony sztywny reżim technologiczny pracy instalacji, a pretekst stanowi brak lub niedoskonałość systemu monitoringu ciągłego. Dotyczy to m.in. chwilowego przeciążenia instalacji, przenoszenia bezpośredniego spalania już do komory wstępnej, gdzie powinien być realizowany proces pirolizy i/lub zgazowania, stosowania zbyt niskiej temperatury w komorze dopalania czy niezapewnienia w odpowiednich ilościach powietrza wtórnego (zwłaszcza po załadunku nowej porcji odpadów). Powoduje to nadmierne unoszenie z komory wstępnej popiołu lotnego i intensywne uwalnianie metali ciężkich oraz okresową emisję do powietrza zbyt dużych ilości produktów niezupełnego spalania (w tym głównie tlenku węgla i węglowodorów). Istotne jest zatem dobranie optymalnego pod tym względem sposobu prowadzenia instalacji spalania odpadów, zwłaszcza w przypadku braku ciągłych pomiarów emisji, za pomocą których mogłoby to być na bieżąco weryfikowane. 2. Charakterystyka badanej instalacji Zasadniczym elementem badanej instalacji jest reaktor ze stacjonarną warstwą fluidalną, którego podstawowe parametry zamieszczono w tabeli 1. W charakterze złoża fluidalnego stosowany jest kalibrowany piasek kwarcowy o średnim uziarnieniu ok. 245 m. W obrębie tego złoża następuje suszenie i zgazowanie odpadów (a więc ich termiczny rozkład przy niedoborze tlenu) w temperaturze ok. 823 K (550 oC). Stosunkowo niska i utrzymywana w wąskim zakresie temperatura złoża nie powoduje powstawania żużla oraz deformacji zawartych w odpadach metali i szkła, co umożliwia ich recykling. Reaktor fluidalny wyposażony jest w kosz stanowiący ruszt dla odpadów, palnik gazowy do podtrzymywania temperatury, system kontrolowanego nadmuchu powietrza i zraszacz wodny oraz mechaniczne systemy: – do załadunku odpadów w porcjach ok. 415 kg w jednorazowych pudełkach kartonowych o maksymalnym wymiarze 0,50,50,5 m, – do opróżniania kosza z popiołu oraz szkła, ceramiki i metali. Tabela 1. Parametry reaktora i złoża fluidalnego Parameters of the reactor and fluidised bed Typ reaktora Wymiary: – długość – szerokość – wysokość Parametry złoża: – gęstość nasypowa – gęstość – uziarnienie – skład – pochodzenie B-14.10.08/DSDR (Seghers) reaktora kosza 1400 mm 1300 mm 1000 mm 950 mm 800 mm 740 mm 1500 kg/m3 2650 kg/m3 125500 m (99 % masy) SiO2 (99,5 % masy) piasek rzeczny Wstępne utlenienie lotnych produktów zgazowania odpadów następuje już ponad złożem fluidalnym (druga strefa reaktora) w temperaturze przekraczającej 973 K (700 oC). Spaliny opuszczające tę strefę przechodzą przez płomień palnika do właściwej komory dopalania, wyposażonej w dodatkowe palniki gazowe. Temperatura w komorze dopalania utrzymywana jest na poziomie ok. 1123÷1373 K (8501100 °C). Tuż za komorą dopalania znajduje się parowy kocioł płomieniówkowy do odzysku ciepła ze spalin. W kotle tym produkowana jest para wodna o nadciśnieniu 0,85 (maksymalnie 1,1) MPa. Temperatura spalin za kotłem obniża się do ok. 573 K (300 oC). Częściowo schłodzone spaliny oczyszczane są całkowicie na sucho. Zanieczyszczenia gazowe adsorbowane są za pomocą sorbentu wapniowo-węglowego (wysokoreaktywne wapno hydratyzowane z dodatkiem ok. 510 % węgla aktywnego), podawanego pneumatycznie do kanału spalinowego przed urządzeniem odpylającym w ilości minimum 4 kg/h. Sorbent z zaadsorbowanymi substancjami gazowymi oraz pył zatrzymywane są następnie w wysokosprawnym filtrze ceramicznym o całkowitej powierzchni filtrującej wynoszącej 120 m2. Z uwagi na fakt, że sorbent jest rozpylany w spalinach za pomocą dodatkowego strumienia powietrza, następuje rozcieńczenie spalin powietrzem i obniżenie ich temperatury do poziomu poniżej 473÷503 K (200230 oC). Po odpyleniu w filtrze ceramicznym spaliny o temperaturze rzędu 413÷473 K (140200 o C) odprowadzane są za pomocą wentylatora do atmosfery. Omawiana instalacja jest wyposażona w systemy automatyki, obejmujące w szczególności załadunek odpadów do spalania z zadaną częstotliwością (zwykle ok. 20 załadunków na godzinę) oraz okresowe opróżnianie kosza reaktora, polegające na usunięciu ze złoża, poprzez odsianie, gromadzących się w nim składników niepalnych (popiół, szkło, ceramika, metale). Większe cząstki mineralne i elementy metalowe (np. igły), jako że w mniejszym stopniu poddają się fluidyzacji i gromadzą się w większości na dnie złoża, po pewnym czasie mogą zaburzyć funkcjonowanie warstwy fluidalnej, której utrzymywanie jest niezbędnym elementem skutecznego przebiegu procesu termicznego rozkładu unieszkodliwianych odpadów. 3. Metodyka badań Celem przeprowadzonych badań było m.in. określenie wpływu częstotliwości załadunków odpadów medycznych do reaktora fluidalnego, chwilowego strumienia masy wprowadzanych okresowo odpadów oraz temperatury w komorze dopalania na wartość stężeń wybranych zanieczyszczeń gazowych unoszonych i emitowanych do powietrza wraz ze spalinami. Jednocześnie obserwowano wpływ zawartości tlenu w spalinach na ilość powstających produktów niezupełnego spalania. Częstotliwość załadunków w poszczególnych eksperymentach była ustalana w zakresie od 16 do 24 na godzinę. Do instalacji wprowadzano w ustalonej kolejności pudełka kartonowe z odpadami o znanej masie, określonej z dokładnością do 0,1 kg. Pudełka te załadowywane były pojedynczo (w przypadku pudełek większych lub cięższych) bądź po dwa pudełka naraz (w przypadku pudełek mniejszych i lżejszych). Temperatura w komorze dopalania utrzymywana była na zadanym poziomie i kontrolowana z wykorzystaniem systemu sterującego procesem spalania. W czasie prowadzonych badań temperatura ta była zmieniana w zakresie od 1123 do 1373 K. Po jej ustaleniu na danym poziomie, podlegała ona niewielkim wahaniom (rzędu 15 K), wynikającym z automatycznego, okresowego włączania i wyłączania palnika gazowego wspomagającego dopalanie. Pomiary składu spalin (zawartość O2 i CO2) oraz stężeń wybranych zanieczyszczeń gazowych prowadzono za pomocą analizatora spalin typu LANCOM Series II (Land Combustion). Analizowano takie substancje, jak: CO, NO, NO 2, SO2, H2S i HC (suma węglowodorów lotnych), stosując zainstalowane w analizatorze czujniki elektrochemiczne. Jedynie w przypadku CO2 stosowany był czujnik optyczny IR (wykorzystujący detekcję absorpcji promieniowania podczerwonego). Wyniki prowadzonych pomiarów ciągłych zapisywane były automatycznie z zadaną częstotliwością. 4. Wyniki badań W badanej instalacji załadunek odbywa się co kilka minut, a jednorazowo do reaktora zgazowania wprowadzanych może być od kilku do kilkunastu kg odpadów. Tuż po załadunku następuje zwykle okresowy spadek zawartości tlenu w spalinach, zużywanego w procesie intensywnego utleniania palnych gazów procesowych powstających w wyniku odgazowania odpadów i zgazowania uwęglonej pozostałości. W tym samym czasie obserwowany jest również okresowy wzrost zawartości w spalinach produktów zupełnego i niezupełnego spalania, przy czym te ostatnie w sporych ilościach pojawiają się wtedy, gdy do instalacji wprowadzane są w większych jednorazowych porcjach odpady skłonne do przewlekłego i niezupełnego spalania (w tym odpady o dużej gęstości, takie jak np. tkanka pooperacyjna). Skrajny przykład obrazujący fragment przebiegu zmienności stężeń wybranych składników spalin powstających podczas spalania tego typu odpadów podawanych w dużych porcjach przedstawiono na rysunku 1. Zaobserwowane wówczas kilkuprocentowe zawartości produktów niezupełnego spalania (CO i HC), występujące przez ok. 0,5 do 1 minuty, wyraźnie wiążą się z niedoborem tlenu oraz ze zbyt niską temperaturą w komorze dopalania, utrzymywaną w tym przypadku na poziomie ok. 1123 K (850 oC). Chwilowy wzrost strumienia objętości głównych produktów spalania, a zwłaszcza gazów o mniejszej masie molowej niż O2 czy CO2 (np. H2O, CO czy CH4) powoduje ponadto okresowe rozcieńczenie innych substancji, co ma największe znaczenie w przypadku tych zanieczyszczeń, których unoszenie lub powstawanie w mniejszym stopniu zależy od warunków panujących w komorze spalania. Efekt rozcieńczenia obserwowany był także w przypadku stężenia NO, którego okresowy spadek po załadunku nowej porcji odpadów trudno wytłumaczyć tylko drastycznym zmniejszeniem dostępu do tlenu. Analiza dużej liczby wyników pomiarów nie wskazuje zresztą, aby obserwowane wahania zawartości tlenu w spalinach miały aż tak istotny wpływ na ilość powstających NOx, jak to ma miejsce w przypadku produktów niezupełnego spalania (rysunek 2). Załadunki odpadów I Stężenie, % a) II III IV V VI 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 O2 CO2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Czas, min. Stężenie, % b) 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 CO HC 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Czas, min. Stężenie, ppm c) 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 NOx H2S 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Czas, min. Rysunek 1. Stężenia objętościowe wybranych składników w spalinach unoszonych z badanej instalacji podczas spalania odpadów medycznych w dużych jednorazowych dawkach: a) O2 i CO2, b) CO i HC, c) NOx i H2S Volume concentrations of selected constituents in the combustion gases escaped from the installation during incineration of medical waste big doses Stężenie CO , % 9 8 7 a) 6 5 4 3 2 1 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Stężenie O2, % Stężenie H C, % 4,5 4,0 3,5 b) 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Stężenie O2, % Stężenie N Ox, ppm 180 160 140 c) 120 100 80 60 40 20 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Stężenie O2, % Rysunek 2. Zależności pomiędzy chwilową zawartością tlenu a objętościowymi stężeniami: a) CO, b) HC i c) NOx w spalinach powstałych podczas spalania różnych ilości odpadów medycznych Relationships between temporary oxygen contents and a) CO, b) HC and c) NOx volume concentrations in combustion gases formed during incineration of various amount of medical wastes Średnie s tężenie N Ox, ppm Podczas występowania w odpadach większych ilości związków siarki, duże jednorazowe załadunki tych odpadów skutkują również okresowym, intensywnym powstawaniem SO2, a przy niedoborze tlenu także H2S. O ile średni stosunek liczby moli SO2 do H2S kształtował się z reguły poniżej 10, to okresowo (przy niedoborze tlenu) był rzędu 20÷30. Chwilowy strumień masy spalanych odpadów (rozumiany jako średnia ilość odpadów wprowadzana w jednostce czasu w danym i poprzednim załadunku) w największym stopniu wpływa na unos CO2, ale zauważalny jest także jego wpływ m.in. na tworzenie się NOx, co wskazuje na tzw. „paliwowy” mechanizm ich powstawania (rysunek 3). 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Chwilowy strumień masy odpadów, kg/h Rysunek 3. Wpływ chwilowego strumienia spalanych odpadów na otrzymane dla poszczególnych cyklów załadunkowych średnie stężenia NOx w spalinach nieoczyszczonych (załadunki ze zmienną częstotliwością co 2,5÷4 minuty) Effect of the temporary stream incinerated waste on the average NOx concentration in the raw combustion gases obtained out of the individual waste inputs (changeable frequency loadings every 2,5÷4 minutes) Wzrost temperatury w komorze dopalania powoduje zmniejszenie ilości powstających produktów niezupełnego spalania. Jak wynika z rysunku 4, w przypadku stosowania dosyć częstych załadunków odpadów (co 3 minuty) zwiększenie tej temperatury nawet do poziomu 1373 K (nie mającej jeszcze wpływu na tworzenie się „termicznych” NOx) nie zawsze jest jednak wystarczające do ograniczenia zawartości CO w spalinach do poziomu poniżej 150 mg/m3u przy 11 % O2, wynikającego z 10minutowego standardu emisyjnego [8]. Z drugiej strony znaczne i długotrwałe przekraczanie tej temperatury jest w badanej instalacji niewskazane z uwagi na ograniczenia wynikające ze stosowanego tuż za komorą dopalania kotła odzysknicowego. A zatem pozostaje wykorzystanie innych metod minimalizacji powstawania CO (np. stosowanie większego nadmiaru tlenu czy ograniczanie masy pojedynczych załadunków) lub jego skuteczne usuwanie ze spalin. To ostatnie rozwiązanie bez rozbudowy systemu oczyszczania spalin o węzeł mokry (np. absorpcja alkaliczna) jest jednak ograniczone, gdyż opiera się w chwili obecnej tylko na procesie suchej sorpcji, który mógłby być ewentualnie zoptymalizowany [1]. Proces ten wymaga m.in. utrzymywania ścisłego reżimu równomiernego rozpylania odpowiedniej ilości adsorbentu w kanale spalinowym. 3 Średnie s tężenie CO , g/m u 1,50 1,35 a) 1,20 1,05 0,90 0,75 0,60 0,45 0,30 0,15 0,00 1123 1173 1223 1273 1323 1373 1423 Średnie s tężenie N Ox, mg/m3u Średnia temperatura w komorze dopalania, K 240 b) 200 160 120 80 40 0 1123 1173 1223 1273 1323 1373 1423 Średnia temperatura w komorze dopalania, K Rysunek 4. Wpływ temperatury w komorze dopalania na wartość stężeń 30-minutowych a) CO, b) NOx (jako NO2) w spalinach nieoczyszczonych (gaz suchy, 11 % O2, 273 K, 101,3 kPa, 20 załadunków na godzinę) Effect of the after-burning temperature on a) CO, b) NOx (as NO2) half-hourly average concentrations in raw combustion gases (dry gas, 11 % O2, 273K, 101,3 kPa, 20 loadings per hour) Podsumowanie Największym problemem badanej instalacji dwustopniowego spalania odpadów medycznych, opartej na niskotemperaturowym reaktorze fluidalnym współpracującym z komorą dopalania, jest okresowa nadmierna emisja produktów niezupełnego spalania, w tym głównie tlenku węgla. Na jego zawartość w powstających spalinach wpływają przede wszystkim takie czynniki, jak zawartość tlenu w strefie dopalania (którego zwiększone zużycie występuje w okresie intensywnego wydzielania się produktów odgazowania i zgazowania kolejno wprowadzanych porcji odpadów) oraz temperatura dopalania. Biorąc pod uwagę ograniczoną możliwość usuwania CO w zastosowanym systemie oczyszczania spalin (opartym na procesie suchej sorpcji), zmniejszenie ilości emitowanego do powietrza CO musi się odbywać przede wszystkim w oparciu o metody pierwotne, z których najbardziej wskazane wydają się być: – – – zwiększenie ilości powietrza podawanego do górnej części reaktora fluidalnego i do komory dopalania, zwłaszcza w okresie wzmożonego zapotrzebowania na tlen, występującego tuż po wprowadzeniu nowej porcji odpadów; utrzymywanie temperatury w komorze dopalania na poziomie co najmniej 1100 oC (1373 K) (wymóg prawny [10]); ograniczenie masy pojedynczych załadunków do ok. 35 kg i poprzez odpowiednie dobranie ich częstotliwości zmniejszenie średniego strumienia masy unieszkodliwianych odpadów do ok. 6070 kg/h (zwłaszcza w przypadku spalania odpadów o dużej gęstości), co dodatkowo powinno przyczynić się do bardziej równomiernego rozłożenia w czasie zapotrzebowania na tlen. W pracy wykorzystano wyniki badań własnych AGH nr 10.10.150.595 i 10.10.150.840. Literatura [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] Oleniacz R.: Termiczne przekształcanie odpadów medycznych w instalacji fluidalnej firmy Seghers – emisja zanieczyszczeń gazowych i możliwości jej ograniczenia. Półrocznik AGH Inżynieria Środowiska, t. 8, z. 1, 2003, 55-71 Szremski M.: Technologie Seghers Fluid Clean w zastosowaniu do utylizacji odpadów. Materiały z seminarium nt. „Nowoczesne technologie termicznej utylizacji odpadów”. Tarnów, 6 września 1999 Oleniacz R.: Zastosowanie procesów pirolizy i zgazowania do termicznej utylizacji odpadów. Ochrona Powietrza i Problemy Odpadów, vol. 33, nr 3, 1999, 101-105 Wandrasz J.W.: Gospodarka odpadami medycznymi. Wyd. PZITS, Oddział Wielkopolski w Poznaniu, Poznań 2000 Integrated Pollution Prevention and Control. Reference Document on the Best Available Techniques for Waste Incineration. European Commission, Institute for Prospective Technological Studies, Seville, July 2005 Oleniacz R., Mazur M., Bogacki M.: Spopielanie odpadów medycznych w systemie Purotherm-Pyrolise – zmienność składu spalin i emisji zanieczyszczeń w cyklu załadowczym. Materiały z V Sympozjum POL-EMIS’2000 „Ograniczanie emisji zanieczyszczeń do atmosfery”. Wyd. PZITS nr 778, Szklarska Poręba, czerwiec 2000 Oleniacz R.: Czynniki wpływające na skład spalin i wielkość emisji zanieczyszczeń z procesów termicznego przekształcania odpadów. W: Paliwa z odpadów, Tom III, pod redakcją J.W. Wandrasza i J. Nadziakiewicza. Wyd. HELION sp. z o.o., Gliwice 2001 Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 25 grudnia 2005 r. w sprawie standardów emisyjnych z instalacji. Dz.U. z 2005 r., Nr 260, poz. 2181 Oleniacz R.: Oczyszczanie gazów odlotowych ze spalania odpadów niebezpiecznych. Półrocznik AGH Inżynieria Środowiska, t. 5, z. 2, 2000, 363382 Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 23 grudnia 2002 r. w sprawie dopuszczalnych sposobów i warunków unieszkodliwiania odpadów medycznych i weterynaryjnych. Dz.U. z 2003 r., Nr 8, poz. 104, z późn. zm. Manuskrypt autorski rozdziału w monografii: Ochrona powietrza w teorii i praktyce. Tom 1 (red. J. Konieczyński), str. 199-207. Wyd. IPIŚ PAN w Zabrzu, Zabrze 2006.