Pyrolýza odpadů - moderní způsob jejich zneškodnění

V tomto článku se autoři zabývají srovnáním výstupních produktů při termickém pyrolyzním rozkladu za identických podmínek, jako je teplota, tlak, granulometrie a doba zdržení materiálu v retortě. Tento příspěvek dále vysvětluje podstatu pyrolýzního procesu a popisuje novou koncepci pyrolýzní technologie pod názvem PYROMATIC.

Společnost Arrowline a.s. za spolupráce Vysoké školy báňské - Technické univerzity Ostrava a za spolupráce dalších členů Klastru Envicrack vyvinula a uvedla v květnu roku 2009 do poloprovozu zcela jedinečnou pyrolýzní technologii na zpracování odpadů o výkonu a možnosti likvidace 50 - 200 kg/h odpadního materiálu.
Tato unikátní pyrolýzní jednotka pod názvem PYROMATIC je stálým předmětem dalšího vývoje a zlepšování nejen za účasti vysokých škol, ale i za účasti multioborových specializovaných firem s cílem zajištění potřebného zázemí a servisu.
Pyromatic je nové výkonné technologické zařízení, které pyrolyzním zpracováním odpadů umožní snížit a energeticky zhodnotit širokou škálu odpadních materiálů (pneumatiky, plasty, biomasu, uhlí, směsi odpadů aj.) a přeměnit odpady na dále využitelné suroviny.

PYROLÝZA A POPIS POLOPROVOZNÍ ZAŘÍZENÍ PYROMATIC

Principy pyrolýzy

Pyrolýza patří spolu se spalováním a zplyňováním mezi procesy termochemické konverze. Tyto procesy se navzájem výrazně odlišují v obsahu kyslíku v reakčním prostoru.
Na rozdíl od zplyňování a spalování je pyrolýzní proces využívaný pro vývoj inovativních technologií založen na rozkladu organických látek působením tepla bez přístupu oxidačních médií. V technické praxi bývá tento proces dělen do třech kategorií podle používaných teplot, a to na procesy nízkoteplotní (< 500°C), středněteplotní (500 - 800°C), vysokoteplotní (>800°C). [1] Při tepelném rozkladu klesá stabilita vysokomolekulárních látek, což vede k jejich štěpení s uvolňováním látek nízkomolekulárních. V podstatě při tepelném rozkladu dochází k uvolnění prchavé hořlaviny z tuhého odpadního materiálu, kterým můžou být pneumatiky, plasty, brusné kaly, biomasa, uhlí, kaly z čistíren odpadních vod a další. Termickým rozkladem vstupních materiálu v pyrolyzním procesu vznikají z pravidla tři hlavní produkty: karbonizační pevný zbytek, kapalný kondenzát, pyrolýzní plyn. Tyto výstupy z pyrolýzní technologie lze využít jako opětovnou vstupní surovinu k dalšímu zpracování, ale především k výrobě tepelné a elektrické energie.

Technologický popis pyrolýzní jednotky PYROMATIC

Mechanicky upravený materiál je navážen na požadovanou hmotnost a následně nadávkován pasovým dopravníkem do hermeticky uzavřeného zásobníku, který je proplachován inertním plynem, aby se zamezilo přístupu okysličovacích medií do pyrolýzního procesu. Jakmile je pec vyhřátá na požadovanou teplotu je materiál postupně dávkován do pyrolyzní retorty. Minimální doba setrvání materiálů v pyrolýzní jednotce je 30 minut.
Pyrolyzní retorta je ohřívána pomocí 5-ti sekcí plynových hořáků napájených propanem, které umožní dosažení maximální provozní teploty až 800°C. Pyrolyzovaný materiál je tedy rozkládán na pevný uhlíkový zbytek, který je jímán do popelového boxu na konci pyrolyzní trasy a plynou fázi, která je odváděna potrubím z retorty do cyklonu. Cyklon je zařízení, kde dochází ke zpomalení proudu plynu a pomocí gravitace jsou odloučeny tuhé znečišťující látky. Tento vyčištěný plyn je dále odváděn do primárního chladícího stupně s výměníkem (pyrolyzní plyn - vzduch). Sekundární dochlazování tvoří výměník pyrolyzního plynu a vody, kde je plyn podchlazován tak, aby nám v potrubí dále již nekondenzoval. Kondenzát vzniklý chlazením pyrolyzního plynu je shromaždován v nádrži na kapalnou pyrolýzní fázi. Tato nádrž je vybavena míchadlem, aby se zamezilo sedimentaci těžkých uhlovodíků.
Celá pyrolyzní jednotka je řízena pomocí počítače z velínu, jenž je umístěn v přilehlé budově. Výstupy z odběrové sondy jsou vedeny do analyzátorové skříně kde jsou analyzovány H₂, CO, CO₂, CH₄ a TOC.

ODPADNÍ MATERIÁLY, ZÁKLADNÍ ROZBORY

Testované odpady

Na jednotce PYROMATIC VŠB- Technické univerzity OSTRAVA byly z hlediska pyrolýzního procesu testovány převážně kaučukovité materiály a to odpadní pneumatiky.
Důvodů, proč za základní vstupní materiál pyrolýzního procesu byl zvolen právě tento druh odpadu, se nabízelo hned několik:

• Množství odpadních pneumatik s nízkou životností každoročně stoupá.
• Pneumatiky jsou biologicky nerozložitelné, netavitelné, nerozpustné.
• Hromadění tohoto druhu odpadu způsobuje značný enviromentální problém.
• Největší množství pneumatik je uloženo na skládky, pouze 20% z celkového množství je recyklováno různými technikami (např. jako palivo v cementářských pecích, jako aditiva do asfaltů používaných na vozovky, ve spalovnách nebo spolu-spalováním s uhlím, surovina v gumárenském průmyslu).
• Pneumatiky mají podobné chemické složení.
• Pro pyrolýzní zkoušky snadno dostupný materiál.

Základní charakteristiky a rozbory odpadních pneumatik

Pneumatiky mají podobné chemické složení. Skládají se z gumy a textilních a ocelových výztuží. Guma se obecně skládá z eleastomerů syntetických (poly-butadien, styren-butadien, polyizopren) (27%) a přírodních (14%). Dále obsahují síru a složky obsahující síru, saze, oxid zinku, uhlovodíkové oleje a další chemické sloučeniny jako jsou stabilizátory, antioxidanty atd. Pneumatiky obsahují 30% sazí jako zpevňovací plnidlo. Rozkladem odpadních pneumatik vznikají saze obsahující anorganické sloučeniny.
Před zahájením samostatných zkoušek na pyrolýzní jednotce byly vzorky pneumatik podrobeny v laboratořích VŠB - TUO elementárním analýzám, které byly zaměřeny na stanovení obvyklých prvků jako je uhlík, vodík, kyslík, síra, dusík. Z laboratorně připraveného popele z pneumatik byly na základě práškové RTG difrakční analýzy doplněny údaje o obsahu dalších prvků a sloučenin. Vzorek pro analýzu nebyl speciálně upravován, byl pouze homogenizován v třecí misce a nanesen na skleněný nosič. Měření bylo prováděno na plně automatizovaném difraktometru URD-6. Pro měření i vyhodnocení byl použit program RayfleX. Pro kvalitativní vyhodnocení byla použita databáze difrakčních dat PDF-2 (verze 2001).

VYHODNOCENÍ MATERIÁLOVÝCH BILANCÍ VÝSTUPNÍCH PRODUKTŮ

Předmětem pyrolýzních zkoušk bylo ověřit si změnu hmotnostních bilancí u odpadních pneumatik za různých teplot, přičemž ostatní podmínky zůstaly zachovány. Před každým pokusem byla retorta předehřátá na požadovanou teplotu. Rozklad probíhá vždy za konstantní teploty.
Základní kritéria a podmínky pyrolýzníh zkoušek:

• granulometrie (velikost zrna materiálu) do 30 mm
• vlhkost materiálu do 20 %
• navážka vstupního materiálu 20 kg
• doba zdržení materiálu v retortě 40 min
• rychlost dávkovacího šneku 600 1/min
• sypná hustota pneumatik 500 kg/m³
• udržování nízkého podtlaku v desítkách Pascalů

Na základě našeho měření byl pozorován vznik třech pyrolýzních produktů, jejich množství a následné vyhodnocení hmotnostních bilancí.
Produkty pyrolýzy:

1. pevná fáze - pyrolýzní uhlík (s)
2. kapalná fáze - pyrolýzní olej (l)
3. plynná fáze - pyrolýzní plyn (g)

ZÁVĚR

Výsledky hmotnostních bilancí, potvrdili předpoklad, že se vzrůstající teplotou dochází k vyššímu vývinu plynu. Vzájemný poměr výstupních produktů nezávisí pouze na vstupních podmínkách (organická/anorganická složka), ale závisí převážně na teplotě, době zdržení, rychlosti dávkování materiálu. Vzhledem k velké škále a různorodosti odpadních materiálu musí být pro pyrolýzní proces zvoleny optimální podmínky, tak aby směřovaly v konečném stádiu k nejlepšímu využití produktů.
Proto se při dalších zkouškách budeme soustřeďovat na optimalizaci provozních podmínek, testování různorodých odpadních materiálu (např. plastů, uhlí, biomasy, čistírenských kalů). Aktuální zkoušky a analýzy ukázaly, že pyrolýzní technologie je vhodná metoda k využití energetického potenciálu, který je ukryt v odpadu a to ekologickou cestou vedoucí k výrobě tepla a elektrické energie.

Video na: http://www.orinea.eu/cs/odpad.html

ZDROJ: www.orinea.eu