Energetické zpracování odpadu: Technologie a inovace

Energetické zpracování odpadu představuje moderní a efektivní způsob, jak využít odpad jako náhradu přírodních neobnovitelných zdrojů. Směsný komunální odpad dosahuje výhřevnosti hnědého uhlí, což z něj činí ideální palivo pro výrobu energie.

V České republice se dlouhodobě nedaří plnit limity EU pro omezování skládkování biologicky rozložitelných odpadů a zaostáváme za vyspělými evropskými státy ve využívání odpadů jako zdroje energie. Energetické využívání spalitelných odpadů, které nelze materiálově využít, vyhovuje nárokům na ochranu životního prostředí a snižuje dovozní závislost na primárních energetických zdrojích.

Energetické využívání odpadů zaujímá v hierarchii nakládání s odpady až čtvrté místo, přičemž důraz je kladen na předcházení vzniku odpadu, jeho opětovné použití a materiálové využití. Zařízení pro energetické využívání odpadů (EVO) využívají odpady, které zůstanou po vytřídění využitelných složek komunálních odpadů a nelze je jinak materiálově využít, a které jsou v současné době ukládány na skládky.

Za energetické využívání odpadů se spalování odpadů považuje pouze tehdy, jestliže použitý odpad nepotřebuje pro vlastní zapálení ke spalování podpůrné palivo a vznikající teplo se použije pro potřebu vlastní nebo dalších osob, nebo odpad se použije jako palivo nebo jako přídavné palivo v zařízeních na výrobu energie za podmínek stanovených právními předpisy o ochraně ovzduší.

Pokud nejsou splněny výše uvedené podmínky, jedná se jen o odstraňování odpadů, tedy prosté spalování odpadů bez dalšího užitku. Spalovny odpadů budou hodnoceny jako zařízení pro energetické využívání odpadů pouze pokud bude jejich koeficient energetické účinnosti rovný nebo vyšší jak 65 %.

Čtěte také: OPŽP a odpady

V České republice vyprodukujeme přibližně 5,9 mil. tun komunálního odpadu ročně. Z tohoto množství se přibližně 50 % uloží na skládky, 38 % využije materiálně a pouhých 12 % energeticky. Rozvinuté země Evropy odpady recyklují, zbytek energeticky využívají a skládkují minimálně.

Technologie energetického zpracování odpadu

Pro nakládání s odpady se používají rozmanité technologie tak, abychom maximálně využili potenciál odpadů a jejich materiálovou i energetickou hodnotu. Cílem je využívat nejmodernější poznatky vědy a techniky, brát ohled na ekonomické a environmentální požadavky producentů odpadů, upřednostňovat ekonomickou konkurenceschopnost každé technologie i bez jakýchkoliv dotací z veřejných zdrojů a využívat pouze technologie splňující normy v rámci platné legislativy ČR i EU.

Zařízení pro materiálové využívání odpadů:

• Třídicí linky - třídí odpad podle druhu a kvality.
• Lisovací jednotky, aglomerační a granulační technologie - vytříděný odpad dostává takovou podobu, aby byl další transport a manipulace s ním co nejjednodušší.

Zařízení pro energetické využívání odpadů:

• Využití odpadu ze dřeva - po přetřídění, drcení a mletí se vyrábí surovina vhodná pro výrobce palivových pelet a briket nebo se dodává jako palivo elektrárnám a teplárnám.
• RDF zařízení - zařízení pro výrobu tuhého alternativního paliva z komunálních a průmyslových odpadů.

Zařízení pro využití biologického potenciálu organických odpadů:

• Kompostárny - zpracovávají samostatně sbíraný odpad z údržby veřejné zeleně i ze zahrad, a také řadu biologicky rozložitelných odpadů z výroby potravin nebo ze zemědělství.
• Využívání skládkového plynu - skládkový plyn s významným podílem metanu se odsává ze skládky a poté svádí do kogeneračních jednotek, v nichž se používá jako palivo pro výrobu elektrické energie.

Zařízení na likvidaci odpadů znečištěných ropnými či jinými nebezpečnými látkami:

• Biodegradační plochy - na zeminy kontaminované ropnými látkami se aplikují speciálně vyvinuté bakterie, které rozkládají nebezpečné kontaminanty.
• Solidifikační linky - využívají vlastní postupy, jak chemickým způsobem stabilizovat některé nebezpečné odpady s obsahem těžkých kovů do formy, která již nemá nebezpečné vlastnosti.
• Termická desorpce - slouží k dekontaminaci materiálů a zemin s obsahem vysoce a méně těkavých organických látek.

Pro tekuté odpady s nebezpečnými vlastnostmi se využívají neutralizační, deemulgační stanice a čistírny odpadních vod.

Skládky:

• Skládky komunálních a ostatních odpadů.
• Skládky nebezpečných odpadů.

Vývoj energetického využívání odpadů v České republice

Ještě před několika desetiletími se spalovny odpadu považovaly za krajní řešení a symbol ekologického selhání. Dnes tvoří páteř systému, který přináší teplo, elektřinu i úspory surovin. Česká republika během třiceti pěti let vybudovala síť zařízení, která dokládají, že i zbytkový materiál může mít reálnou hodnotu.

Zatímco na konci osmdesátých let se spalovalo necelých šedesát tisíc tun odpadu ročně, v roce 2024 už statistiky Ministerstva průmyslu a obchodu uvádějí více než 1,35 milionu tun energeticky využitých odpadů a alternativních paliv. Podle aktuálních údajů MPO představují zařízení pro energetické využívání odpadů (ZEVO) největší kategorii v rámci celé bilance. V roce 2024 bylo v těchto zařízeních spáleno přes 830 tisíc tun komunálního odpadu, což odpovídá zhruba 8 milionům gigajoulů energie. Z tohoto množství se vyrobilo 261 tisíc megawatthodin elektřiny a více než čtyři miliony gigajoulů tepla.

Čtěte také: Česká konference o obnovitelných zdrojích

Mezi významné milníky patří:

• Vznik první české spalovny komunálního odpadu v Brně v 80. letech.
• Uvedení do provozu zařízení ZEVO Malešice v Praze v roce 1998.
• Spalovna Termizo v Liberci, která od roku 2000 zpracovává až 96 tisíc tun odpadu ročně.
• Zařízení v Chotíkově u Plzně, moderní kogenerační zdroj s výkonem 10,5 MW elektřiny a 31,7 MW tepla, které se přidalo v roce 2016.

Energetické využívání odpadů se však v České republice neomezuje jen na městské spalovny. Významnou roli hrají také průmyslové a nemocniční spalovny, které tvoří samostatný a dlouhodobě stabilní segment. Zcela mimořádný rozvoj zažily v posledních dvaceti letech cementárny a vápenky.

Dalším milníkem se stala modernizace teplárny v Přerově, která v roce 2023 spustila provoz nových multipalivových kotlů. Ty umožňují spalování TAP i biomasy a představují první krok k hlubšímu propojení teplárenství s oběhovým hospodářstvím.

Celková energie obsažená v odpadech a alternativních palivech využitých v roce 2024 přesáhla 19 milionů gigajoulů. Množství energie získané z odpadu dnes odpovídá spotřebě středně velkého města během celého roku.

Český systém spaloven, cementáren a tepláren tak dokládá, že energetické využívání odpadu není konkurencí recyklaci, ale jejím přirozeným doplňkem. Zatímco recyklace vrací materiály zpět do oběhu, ZEVO a průmyslové spalovny uzavírají cyklus - proměňují zbytky na energii.

Čtěte také: Využití odpadu pro energetiku

Plazmové zplyňování

Skupina JRD rozvíjí ve vědecko-technickém parku v Dubé u České Lípy reaktor na plazmové zplyňování. Tato technologie rozkládá odpad pomocí vysokých teplot na atomární úroveň a ven vychází syntézní plyn a struska. Syntézní plyn může fungovat jako náhrada zemního plynu.

Společnost Millenium Technologies, člen skupiny JRD, se zaměřuje na plazmové zplyňování a vitrifikaci odpadu, jakožto efektivního, environmentálně šetrného a zcela bezpečného způsobu zpracování odpadů. Výstupem je syntézní plyn, který může být zdrojem energie či chemických produktů, např. vodíku.

Plazmové zplyňování umožňuje efektivně využít téměř jakýkoliv odpad. Výstupem je syntézní plyn, který může být zdrojem energie či chemických produktů. Účinnost rozkladu složitých organických sloučenin bez vzniku sekundárních škodlivin je > 95 % a množství zbytkového odpadu na skládku, pokud je systém doplněn o čištění plynu a energetické využití, je 0%.

Plazma je čtvrtým skupenstvím hmoty. Jedná se o ionizovaný plyn vznikající při teplotách nad 4000°C. Postup zpracování odpadu a jeho přeměny na energii cestou plazmového zplyňování a vitrifikace (PGV) zahrnuje rekuperaci energie u odpadu v podobě syntézního plynu, který může nahradit fosilní paliva, a vitrifikaci všech nebezpečných anorganických sloučenin v odpadu v podobě nevyluhovatelné inertní strusky.

Technologie využívající plazmových hořáků nejsou ve světě nijak neobvyklé. Jejich aplikace v generátoru, který zplyňuje odpady je však poměrně nová. Reaktor/zplyňovač PGV nemá vlastnosti spalovací pece, ani žádného jiného podobného systému spalování, technicky vzato jde o vysokoteplotní pyrolýzu.

Technologie plazmového zplyňování je vhodná pro zpracovávání širokého rozsahu odpadů. S výjimkou vysoce radioaktivního jaderného odpadu dokáže technologie PGV zpracovat jakýkoli druh odpadu včetně např. TKO, nemocničního odpadu, průmyslového toxického a nebezpečného odpadu, chemických rozpouštědel, těžkých kovů, popílku, popele usazovaného ve spalovnách, azbestových vláken, kalu z čistíren odpadních vod, použitých pneumatik, polychlorovaných bifenylů atd.

Třídění a sušení odpadu před jeho vložením do reaktoru/zplyňovače není nezbytně nutné. Reaktor PGV je totiž schopen zpracovat směsný odpad různého složení a velikosti a s obsahem vody až 75 % hmotnosti odpadu, aniž by tím vznikly jakékoli technické nebo provozní potíže.

Při spalování v běžných průmyslových systémech je zpravidla dosahována maximální průběžná teplota do 2000 °C. Zóna štěpení molekul začíná při dosažení teploty 2700 °C. Plazma na výstupu z hořáků dosahuje teploty až 4000 °C. Samotné zplyňování nastává nad koksovým ložem, které slouží jako katalyzátor a distributor tepla. Maximální teplota syntézního plynu na výstupu je 1700 °C. Tyto teploty zajišťují dostatečnou rychlost reakcí na to, aby reaktor pracoval při atmosférickém tlaku, velikost zplyňovače byla minimální a bylo možné používat místo látek s vysokým teplotním odporem mnohem levnější materiály.

Při uvedených teplotách se v reaktoru zcela rozštěpí všechny molekuly organických látek. Při zplyňování odpadu probíhá nejdříve tepelné štěpení (pyrolýza), při němž se složité molekuly štěpí na jednodušší, tj. uhlovodík a plyny s obsahem vodíku. Další reakcí je částečná oxidace, která usnadňuje vznik CO (oxidu uhelnatého) a malého množství CO2 a H2O. Tyto dvě látky snižují výhřevnost syntézního plynu, takže je důležité, aby oxidační reakce probíhaly jen minimálně.

Reaktor PGV pracuje v substechiometrických podmínkách, tzn. s minimálním množstvím vzduchu (bez jakýchkoli jevů typických pro spalování). Výhřevnost syntézního plynu závisí na druhu zpracovaného odpadu, jeho spodní hranice se pohybuje od 15 do 22 MJ/kg.

Z vyráběného syntézního plynu je třeba odstranit všechny škodlivé znečišťující látky, které by mohly případně poškodit zařízení na spalování plynu - tj. spalovací turbínu, kotel parního generátoru nebo kogenerační motory. Emise SOX a NOX jsou řádově nižší než u tradičního spalování. Ze syntézního plynu se izoluje 99,99 % síry ve formě elementární síry nebo kyseliny sírové, což jsou prodejné vedlejší produkty.

Anorganické materiály obsažené v odpadu přejdou po rozštěpení organických látek do roztavené lávy, která protéká vrstvou katalyzátoru (koksu) u dna reaktoru. Katalyzátor zvyšuje účinnost tepelné degradace. Používá se v množství 1 až 3 % celkové hmotnosti zpracovávaného odpadu.

Zcela inertní sklovitou strusku lze využít místo plniva do betonu, při výrobě cihel, stavbě silničního podloží nebo výrobě keramických dlaždic.

Energie získávaná v systému PGV je využívána generátorem s kombinovaným cyklem k výrobě elektrické energie. Plazmové hořáky mají účinnost přeměny energie až 80 %. S výjimkou odpadu s velmi malým obsahem organického materiálu je hodnota znovu získané energie vyšší než její tepelný ekvivalent využívaný systémem, proces má tedy kladnou energetickou bilanci.

V České republice v současnosti existují záměry vybudování provozu PGV, využívajícího odpadu komunálního (TKO), živnostenského, případně dalších složek (plasty a pneumatiky). Celková průměrná kapacita provozu by měla být kolem 25 tun za hodinu.

Biorafinerie

V poslední době se při zpracování odpadů upřednostňuje koncept tzv. biorafinerie. Biorafinerie je zařízení, které integruje procesy přeměny biomasy a zařízení pro výrobu chemikálií, materiálů a energie. Biorafinerie je definována jako zařízení, které integruje procesy přeměny biomasy a zařízení pro výrobu paliv, energie a chemikálií z biomasy.

Koncept biorafinerie je založen na komplexním zpracování odpadní biomasy biochemickými a termickými metodami zpracování s výrobou elektrické energie či tepla. Výstupními produkty jsou např. odpadní biomasy na pokročilá biopaliva a bioprodukty. První ukázkou může být technologie výroby celulózových vláken. Základem je lignocelulózová biomasa (traviny, dřevní odpady, sláma), která není potravinou ani krmivem a nemůže být jinak využita, např. spálena. Během tohoto zpracování dochází díky rozvaření biomasy k rozvláknění lignocelulózové matrice. Celulózová vlákna se odseparují a vysuší. Takto získaná celulózová vlákna se mohou uplatnit jako biodegradabilní výztuž do biokompozitů, v elektronice, kosmetice nebo k výrobě membrán.

Druhou ukázkou může být technologie zpracování rybích odpadů. Návrh předpokládá hygienickou stabilizaci rybího odpadu a jeho následné smíchaní s kejdou. Směs je vedena na anaerobní fermentaci, při které vzniká bioplyn a digestát. Bioplyn je metodou PSA vyčištěn a zušlechtěn na biometan. Digestát, zbytek po anaerobní digesci, je mechanicky zpracován. Vzniká pevná část, separát a kapalná část, fugát, tj. bohatá na minerální prvky. Minerální prvky jsou připraveny k použití jako koncentrované kapalné hnojivo.

Příklad zařízení na energetické využití odpadu

Zařízení na energetické využití odpadů je spojeno s Teplárnou Liberec energetickým uzlem, což umožňuje využít synergického efektu při odběru např. Komunální odpad, z něhož občané vytřídí recyklovatelné materiály jako papír, sklo a plast je po příchodu do zařízení bez dalších úprav (kromě drcení objemového odpadu jako je nábytek apod.) dávkován do kotle.

Zařízení na energetické využití odpadů disponuje jednou technologickou linkou s kapacitou 12 tun odpadu za hodinu.

Funkce jednotlivých technologických celků:

1. Bunkr: Slouží k meziskladování odpadu jako technologické zásoby paliva před jeho energetickým využitím. Velkoobjemový odpad je v případě potřeby drcen hydraulickými nůžkami na drobnější strukturu. Využitelná kapacita bunkrů je 3 000 m3 dovezeného směsného odpadu.
2. Kotelna: Je instalováno spalovací zařízení, které se skládá z roštu, hydraulické stanice a topeniště. Kotel je zásobován napájecí vodou, která se přivádí jako demineralizovaná voda z chemické úpravny vod v přilehlé Teplárně. V samotném ohništi dosahuje teplota 950 - 1 100 °C, při níž nastává proces termicko-oxidačního rozkladu odpadu na jednotlivé složky. Vzniklé spaliny jsou při prostupu parním kotlem postupně ochlazovány až na cca 200 °C (výstupní teplota z kotle). Škvára, která na konci roštu končí ve vodní lázni, je kontinuálně vyvážená do bunkru škváry. Tato škvára obsahuje max. 3 váhová % organického uhlíku a je součástí směsi popelovin, které se uplatňují ke stavebním účelům. Úletový popílek, který se ze spalin zachytí v kotli, je periodicky oklepáván za provozu kotle a je dále transportován do sila popílku, z něhož je pak odebírán k účinné fyzikálně-chemické úpravě, při které se odstraní jeho nebezpečné vlastnosti. Ostatní úletový popílek je ze spalin odlučován v elektroodlučovači a je transportován do téhož sila popílku.
3. Energie: Uvolněná při spalování odpadu je ve formě tepla odebírána spalinám a předávána do vodní páry. Vyrobená přehřátá vodní pára (4,3 MPa, 400 °C) je přes protitlakou turbínu dodávána do teplárenské soustavy (0,75 MPa, 230 °C), čímž je umožněna současná výroba elektrické a tepelné energie. V letním období, kdy není dostatečný odběr tepla, se pára využívá více pro výrobu elektřiny v parní kondenzační turbíně. Spaliny se po průchodu kotlem ochladí na cca 200 °C.

Čištění spalin:

1. Do spalovací komory kotle, kde probíhá selektivní nekatalytická redukce (SNCR), je dávkován 25% roztok čpavkové vody (NH4OH).
2. Popílek obsažený ve spalinách se odlučuje po celé trase spalin (kotel, elektroodlučovač) a transportuje se k další úpravě. Redukce obsahu PCDD/f je realizována ve speciálním katalytickém textilním filtru Remedia, který zajišťuje dostatečnou destrukci těchto látek na neškodné složky. Zachytí se na něm zbytkový popílek, který prošel elektrofiltrem.
3. První stupeň (quench + absorpce anorganických kyselin) - ochladí horké spaliny vstřikováním prací vody na teplotu jejich nasycení (přibližně 65 °C). Spaliny jsou nasycovány vodou, která pohlcuje největší díl anorganických kyselin (HCl, HF ). Druhý stupeň - absorpce oxidů síry (SO2, SO3) ze spalin. Výplň pračky zajistí intenzivní styk mezi spalinami a změkčenou vodou s regulovaným dávkováním hydroxidu sodného (NaOH). Spaliny směřují zdola nahoru, prochází výplní proti proudu prací vody. Třetí stupeň (odlučování aerosolů) - spaliny procházejí soustavou Venturiho trysek, kde zkrápěním tlakovou vodou probíhá proces odlučování aerosolů vznikajících při spalování a hlavně při redukčních procesech NOx.

Struska, která se z roštu kotle vynáší do vodní lázně odstruskovače, je kontinuálně vyváděna do bunkru strusky. Surový popílek se odloučí ze spalin a je promýván kyselou vodou tak, aby se odstranily rozpustné soli a extrahovatelné těžké kovy. K čištění se používá pračka spalin, především z jejího prvního stupně. Popílek je dávkován do první ze tří extrakčních nádrží, v nichž je za přidání kyselé prací vody z prvního stupně pračky spalin vyluhován v kyselém prostředí (při pH 3,5) a při zvýšené teplotě (cca 65 °C). Vodní suspenze je odvodněna na vakuovém pásovém filtru. Voda po filtraci je vedena do čistícího procesu úpravny technologických odpadních vod.

Popeloviny, které se shromáždily v bunkru strusky, se ještě dále upravují. Drapákem se popeloviny podávají přes hřebenový rošt, který slouží na oddělení hrubých kovových částí, do násypky a pomocí transportního pásu se přivádějí k magnetickému separátoru.

Do úpravny přichází kyselá voda z prvního stupně praní spalin, která byla využita pro extrakci kovů při praní popílku. Rovněž se zde čistí voda z druhého stupně praní spalin.

tags: #energetické #zpracování #odpadu #technologie

Oblíbené příspěvky:

• Komplexní analýza smíšeného zboží
• Recenze odpadkových košů
• Dezinfekce proti plísním
• Úpravy mobilheimu
• Kompletní průvodce čištěním odpadu u dřezu