Tratarea termica a deseurilor. Procedee.

Tratarea termica a deseurilor. Procedee.

1. Generalitati

Arderea sau arderea mocnita fac parte din tratarea termica a deseurilor reziduale.

Incinerarea deseurilor solide urbane are ca avantaj reducerea substantiala a greutatii( pana la 75%) si a volumului( pana la 90%) a deurilor, ceea ce poate fi benefic daca spatiul pentru gropi de gunoi este deficitar.

Generarea de venituri din producerea de energie, cunoscuta ca incinerarea pentru energie din deseuri   poate sa atenueze partial costul incinerarii, cu toate ca de obicei exista la dispozitie alte forme mai ieftine de producere a energiei.

Scopul acestei tratari este indepartarea deseurilor care nu pot fi valorificate fizic sau energetic. Pe langa reducerea cantitatii, trebuie diminuata si toxicitatea deseului astfel tratat. Resturile trebuie valorificate cat mai mult posibil, iar energia termica obtinuta trebuie utilizata.

Tratarea termica a deseurilor este o metoda de tratare, unde, prin schimbarea partiala a substantei solide sau lichide in componente gazoase si dispersia lor in atmosfera, se obtine cea mai redusa cantitate de substante reziduale finale, in comparatie cu cantitatea de deseuri reziduale introdusa initial( tratata).De asemenea, aceste substante ramase trebuie valorificate, daca este posibil, sau depozitate definitiv.

Nici prin aceste metode nu se pot indeparta definitiv substantele toxice din deseuri, asa incat macar praful si produsii de reactie din tratarea gazului de ardere, aparuti in decursul procedeului, trebuie indepartati prin depozitarea ecologica sigura.

2. Procedee de tratare termica a deseurilor

A. INCINERAREA

In Europa exista instalatii pentru arderea deseurilor de cca. 100 de ani.Astazi, metoda cea mai raspandita de tratare termica a deseurilor este metoda cuptorului de prajire, cu epurarea pe scara larga a gazelor de ardere. Pentru epurarea gazelor de ardere se utilizeaza electrofiltrele, metoda epurarii umede, tehnologiile de expansiune si, partial, filtrele de carbune activ.

La inceputul anilor 90 au fost dezvoltate noi metode termice ca alternativa la metodele traditionale cu cuptor cu prajire. Este vorba de cele mai performante tehnologii obtinute, dintre care amintim:

metoda imbunatatita cu cuptor de prajire, cu pregatire mecanica a zgurii( exemplu-instalatie in Wels( AU));

metoda imbunatatita cu cuptor de prajire cu pregatire termica  a materialelor reziduale;

metoda in doua trepte cu zona de reducere si de oxidare( de exemplu-metoda termoselect; instalatii in Fendoce( Italia), Karlsruhe( Germania));

metoda in doua trepte cu temperatura inalta si cu zona de reducere si oxidare( metoda MT);

metoda in doua trepte cu temperatura inalta ca mai sus, completata insa de o tratare termica a resturilor( solide si gazoase).

Scopul tehnologiilor noi este de extragere a metalelor grele si de omogenizare si stabilizare a resturilor de la arderi.

2.1. Arderea in cuptor

Tehnica arderii in cuptor este cel mai des utilizata la distrugerea deseurilor din localitati. La aceasta metoda, din punct de vedere tehnologic, are loc o oxidare a combustibilului intr-un cuptor partial mobil, care deplaseaza deseul, cu adaos de oxigen din aer( aer de ardere).

Deoarece in cursul procesului este disponibila o cantitate considerabila de caldura degajata, instalatia de ardere este considerata ca o centrala termica a gunoiului. Din acest motiv, se descrie in continuare echipamentul tehnic al unei instalatii de ardere a gunoiului " tipice", conventionale cu cuptor, de utilizare a caldurii degajate si de epurare a gazelor reziduale.

Dupa controlul de la receptie si cantarirea deseurilor, vehiculele de transport al deseurilor ajung in zona de descarcare si predare. Aici deseul este rasturnat din vehicule intr-un bunker. Pentru evitarea emisiilor de zgomot, miros si praf, zona de descarcare poate fi prevazuta cu o imprejmuire( hala de descarcare0. Bunkerul seveste echilibrarii procedeului de alimentare a cuptorului de ardere, prin acumularea cantitatilor, aici realizandu-se o amestecare omogena a deseului. Amestecarea conduce la o uniformizare a puterii calorifice a componentelor reziduurilor ce se ard. Descarcarea in bunker faciliteaza un control vizual si respectiv culegerea componentelor de gunoi voluminoase. Obiectele mai mari pot fi maruntite in prealabil cu o foarfeca cu rotor. Pentru amestecarea si transportarea deseurilor in zona de deschidere a cuptorului de ardere se utilizeaza o macara portal. Gunoiul ajunge printr-o palnie in dispozitivul de distributie si este transportat de aici in mod egal pe cuptorul de ardere.

Cuptorul de ardere poate fi format din mai multe benzi paralele, in functie de metoda si de asigurarea disponibilitatii. Cuptorul este separat adesea, pe lungime, in zone de ardere. Acestea sunt formate din elemente de ardre fixe si mobile sau intr-un alt sistem.

Combustibilul deseu este astfel transportat, intors si rasfirat, pentru a se garanta o ardere completa. La capatul cuptorului zgura/cenusa paraseste spatiul de ardere si este condusa , preconditionata, mai departe in vederea valorificarii sau indepartarii. Gazul de ardere neracit este evacuat din spatiul de ardere inspre cazanul cu aburi.Aici, energia termica din gazul de ardere este utilizata pentru obtinerea aburilor, care sunt folositi pentru producerea electricitatii si/sau ca aburi de incalzire intr-o retea de termoficare.

O desprafuire primara a gazului de ardere se realizeaza de obicei in electrofiltru. Aici gazele pot fi desprafuite in proportie d 99%. Gazele de ardere parcurg campuri despartitoare legate la curent electric, pe ai caror electrozi se depun particulele de praf. Temperatura gazului este de peste 100⁰ C. Electrozii sunt curatati prin scuturarea prafului.

In urmatoarea etapa a curatirii mai profunde a gazului rezidual, gazele toxice acide, metalele grele si restul de praf trebuie spalate. Gazele de indepartat sunt acidul fluorhidric si clorhidric si dioxidul de sulf. De regula, se utilizeaza un sistem in mai multe trepte de spalatori( acizi si neutri). Indepartarea oxizilor de azot se realizeaza intr-o instalatie cu catalizator, unde, cu adaos de amoniac, oxizii de azot sunt descompusi in azot liber si aburi.

2. 2. Metoda termoselect

Principiul acestei metode consta in faptul ca deseul nu este ars direct. Intr-un prim pas se realizeaza o carburatie a deseurilor, dupa care, gazul de sinteza obtinut este ars si utilizat cat mai mult posibil la producerea de energie. Pasii metodei sunt urmatorii:

• Deseul rezidual livrat este compactat intr-o presa la cca.10% din volum
• Intr-un canal de evacuare a gazului se realizeaza uscarea si evacuarea partiala a gazului( mocnire) din deseu.
• Procesul se desfasoara sub sifonul de miros la cca. 600⁰ C si la o durata de ramanere de cca.2 ore. Acest pas este denumit conditionare- carburatia prin transformarea componentelor organice ale deseului in monoxid de carbon si hidrogen si topirea materialelor inerte cu adaos de oxigen intr-un reactor la temperatura inalta.La capatul canalului de evacuare a gazelor, deseurile cad in reactor la temperatura inalta. Aici se produce transformarea in gaz de sinteza a gazului de mocnire, cu adaos de oxigen pur la cca. 2000⁰ C.Adaosul de oxigen se face in zona de jos a reactorului. In partea de sus a spatiului din reactor, gazele de reactie persista mai multe secunde la cca. 12000⁰ C. Zgura lichida si aliajele de fier pot fi extrase de pe fundul reactorului si valorificate.
• Epurarea gazului de sinteza obtinut se face printr-o racire brusca de la 1200⁰ C la 65⁰ C intr-un dispozitiv, dar pentru separarea prafului se foloseste o coloana de spalat in doua trepte, utilizata si pentru separarea componentelor gazoase acide. Se procedeaza apoi la separarea hidrogenului sulfurat continut ingazul de sinteza, la spalarea alcalina si uscarea gazului de sinteza., precum si la separarea ulterioara a impuritatilor ramase in filtrul de cocs activ.
• Gazul de sinteza nenecesar procesului este utilizat energetic in module de motoare de gaz, generatoare sau in blocuri de instalatii de producere a aburului( turbine de aburi si generatoare). Aici are loc obtinerea energiei electrice, respectiv a energiei termice.
• Tratarea materialelor reziduale rezultate din epurarea gazelor consta din: separarea substantelor solide din levigatul provenit de la spalator, pregatirea in comun a apei din proces pentru neutralizare, precipitare si filtrare a metalelor grele, supraconcentrarea sarurilor si evaporarea solutiilor de saruri( sare amestecata).

Astfel de instalatii functioneaza in Karlsruhe Germania), capacitate de 225 000 t/an si la Fondoce( Italia). L amulte instalatii este posibila valorificarea zgurilor, utilizand elementele de calitate ale zgurii, ulterior un bun economic, care sunt influentate prin masuri tehnice.

B. PIROLIZA DESEURILOR

Piroliza sau degazarea, ca si incinerarea, reprezinta un proces termic de tratare a deseurilor menajere. Prin piroliza se obtine o descompunere termica a produsilor chimici si in special a compusilor organici la o temperatura ridicata si in absenta oxigenului.

In practica, acest procedeu este denumit si degazare. Sub efectul temperaturii ridicate se produce o sciziune si o structurare diferita a moleculelor organice, ceea ce face ca, dupa piroliza deseurilor acestea sa se gaseasca in substante combustibile gazoase, lichide si solide.

Din punct de vedere energetic, reactiile de piroliza sunt in ansamblu endoterme si au ca efect:

• eliminarea si transformarea( neutralizarea) deseurilor menajere si a altor deseuri, tinand seama de conditiile mediului inconjurator;
• reducerea in volum si in greutate a deseurilor ce se trateaza;
• productia de combustibili gazosi si lichizi.

Procesul tehnologic al pirolizei se efectueaza in asa fel incat deseurile sa fie descompuse intr-un reactor intr-o durata de timp relativ indelungata( cateva ore), la o temperatura cuprinsa intre 500-1000⁰ C. In cursul acestui proces se formeaza, pe de o parte, gaze de piroliza( cu o putere calorica mai mica de 3000 kcal/kg) ca: hidrogen, bioxid de carbon, oxid de carbon, acid sulfuric, amoniac si alti produsi, iar pe de alta parte, zguri( cu puteri calorice de cca. 500 kcal/kg) care contin componente nedegazabile cum este cocsul de piroliza. Se formeaza in plus substante lichide precum apa si hidrocarburile.

Acest procedeu se deosebeste net de incinerare, prin prezenta in zgura a metalelor sub forma neoxidata si prin producerea unor cantitati mai mari de deseuri solide.

Caracteristicile procesului de piroliza:

se reduce volumul deseurilor la 40%, fata de 10-30% in cazul incinerarii;

proportia gazelor de piroliza este de 10%-20% din cantitatea gazelor care rezulta la incinerarea deseurilor, ceea ce este foarte important pentru epurarea gazelor;

din capacitatea energetica a deseurilor, 2/3( cca. 2000kcal/kg) este folosita pentru functionarea instalatiilor, iar restul de 1/3 este disponibila pentru utilizari ulterioare.

In ceea ce priveste protectia mediului ambiant, trebuie analizate produsele obtinute, adica zgura si gazele. In privinta deseurilor solide este necesara cunoasterea mai profunda a compozitiei zgurii. Gazele care se formeaza in timpul pirolizei sunt supuse unei spalari in atmosfera umeda, in scopul eliminarii partiale a componentelor gazelor toxice. In acest scop se pot aplica tehnologiile folosite la producerea de gaze de cocserii, care nu ridica probleme de protectia mediului inconjurator, cu exceptia probabil a mirosurilor.

Apele de spalare trebuie supuse unei tratari suplimentare. Deci, prin piroliza, ca si prin incinerare se realizeaza un proces termic prin care se distrug reziduurile. Dar, in timp ce prin incinerare se efectueaza o exploatare termica, utilizarea energiei reprezentand un scop ulterior, prin piroliza se urmareste mai cu seama extractia de combustibil gazos si lichid. Ambele procedee trebuie sa tina seama de cerintele mediului inconjurator, ca o prima conditie.

Piroliza are avantajul ca produsele obtinute pot fi stocate, desi combustibilii gazosi au anumite limite de inmagazinare.

Intrucat si incinerarea si piroliza prelucreaza aceleasi produse cu continut identic, in ambele cazuri produsii finali de combustie sunt dioxidul de carbon si apa.Lantul chimic al celor doua procedee se diferentiaza prin parcursul efectuat, datorita caruia plecand de la un punct dat se ajunge la un scop determinat. Randamentul global al procedeului in intregime, va trebui sa permita determinarea sistemului care prezinta cele mai mari avantaje, tinandu-se seama si de constructia instalatiilor.

Deseurile menajere au devenit un combustibil valoros; astfel, incinerarea fara folosirea caldurii nu mai corespunde conceptiilor energetice actuale.In cazul incinerarii cu folosirea caldurii, este dificil de apreciat care din cele doua procedee este mai avantajos. Din cauza nivelului diferit de dezvoltare al incinerarii si al pirolizei, este inca foarte greu sa se faca o evaluare practica, precisa si obiectiva a celor doua procedee.

Ca metoda de valorificare a deseurilor menajere, piroliza este inca in faza initiala de aplicare in Romania. In SUA si in Japonia s-au construit instalatii de piroliza in care se incalzesc deseurile la cca. 700⁰ C intr-un recipient ermetic spre a se obtine urmatorii patru compusi:

gaz comparabil cu gazul de iluminat

o parte condensabila in hidrocarburi

carbune solid, din care se pot extrage uleiuri

metale si sticla, fara alterari insemnate care pot fi recuperate.

Capacitatile de absorbtie ale deseurilor fine, rezultate de la piroliza deseurilor menajere, au fost stabilite de Institutul pentru hidraulica constructiilor si de Institutul pentru tehnologie al Universitatii din Stuttgard-Instalatia de piroliza sistem Destrugas din Kalundborg, Danemarca. A rezultat urmatoarea formula:

a = (k₁ c)/( k₂ + c) 1.

unde

a-cantitatea absorbita prin suprafata exterioara a deseurilor fine;

c- concentratia substantei care intra in absorbtie;

k₁ si k₂ - constante a caror marime depinde de temperatura, de natura si de proprietatile absorbantului.

Pentru concentratii mici( c< k₂ ), ecuatia devine:

a = ( k₁ k₂ )/2 k₂ = k₂ k₁ /2k₂² = c k₁ /k₂ 2.

Pentru concentratii mai mari( c>k₂ ), rezulta ecuatia:

a = k₁  

In capitolul urmator vom prezenta cateva tipuri de incineratoare in care se aplica piroliza deseurilor.