Spoluspalování tuhého alternativního paliva z mechanicko-biologické úpravy odpadů? Provozní zkušenosti říkají NE!

ÚVOD

Již ke konci 80. let a hlavně pak v 90. letech minulého století byly v Evropě vedeny rozsáhlé diskuse o vhodném zpracování komunálního odpadu před jeho uložením do zemské kůry – do skládky. Zařízení na mechanicko-biologickou úpravu MBÚ komunálního odpadu byla vyvíjena v minulých letech zejména v Rakousku a Německu v souvislosti s úplným zákazem skládkování neupraveného komunálního odpadu (Rakousko od 1. 1. 2004, Německo od 1. 6. 2005). Měla vést k překlenutí nedostatku zpracovatelských kapacit a zároveň zachovat alespoň část odpadů pro skládkování zejména tam, kde obce vlastnily skládku. Zákaz skládkování neupraveného komunálního odpadu přišel v Německu v době, kdy stále existovaly významné kapacity zabezpečených skládek. Předpoklad při zavádění MBÚ tedy byl, že významná část vstupujícího odpadu bude v podstatě dále ukládána do skládek (tzv. podsítná nebo těžká frakce).

Druhá část odpadu, tzv. lehká frakce (energetická frakce neboli tuhé alternativní palivo –TAP) měla být využívána ve standardních energetických jednotkách, tedy v teplárnách nebo elektrárnách, a to bez potřeby významných investic.

Tato cesta se záhy ukázala z důvodů vzniklých zásadních provozních potíží jako neakceptovatelná a pro spálení těchto materiálů musela být budována vhodná samostatná zařízení (SRN). Dokonce se předpokládalo, že teplárny a elektrárny budou za toto „palivo“ provozovateli MBÚ platit. Tento předpoklad se však ukázal jako mylný. Odbyt lehké frakce ke spálení se tak stal pro provozovatele zařízení MBÚ nákladem, a to velmi významným.

Provozem zařízení MBÚ se tedy proces spalování neeliminuje, nýbrž přesune do dalšího stupně zpracování odpadu – do procesu spoluspalování nebo monospalování. Nelze-li aplikovat proces spoluspalování, je nutná instalace zařízení na energetické využití vysoko výhřevné frakce resp. tzv. alternativního či náhradního paliva - TAP.

Výstupem z procesu MBÚ jsou tedy „výrobky“ se zápornou hodnotou (cenou), tj. provozovatel za jejich odbyt musí zaplatit (podsítná frakce na skládku, odbyt lehké frakce k energetickému využití). Hlavní výnosy (zhodnocení energetického potenciálu odpadů = Benefit) realizuje jiný (konkurenční!) subjekt, zatímco přímé náklady (Cost) zůstávají u provozovatele zařízení MBÚ. Švýcarsko MBÚ nezavedlo a ani o jejím zavedení neuvažovalo. Zde se uplatňuje přímá cesta odpadů z domácností (třídění na zdroji) k energetickému využití.

Vedle Rakouska a Německa, kde je MBÚ asi nejrozšířenější, zkoušejí zavádět MBÚ státy s méně rozvinutým odpadovým hospodářstvím, jako např. Maďarsko, Rumunsko, Slovinsko atd. Tento fakt souvisí kromě jiného s možností čerpat na tyto projekty finanční podporu z fondů Evropské unie, kde je znatelný vliv občanských ekologických iniciativ a hnutí a jiných zájmových skupin.

SPOLUSPALOVÁNÍ TAP

Jako konkrétní příklad z praxe bylo spoluspalování TAP zvažováno na standardních, dále krátce popsaných elektrárenských kotlích s práškovým ohništěm. Jedná se o klasickou elektrárnu. Celkový instalovaný výkon 800 MW tvoří čtyři 200 MW bloky. Každý blok je ročně v průměru 5 300 h. Bylo uvažováno spoluspalování TAP ve výši 3 % a 5 % jmenovitého tepelného výkonu kotle.

Kotle jsou průtočné, dvoutahové, s granulačním ohništěm a spodním topeništěm. Kotle jsou vybaveny přihříváním páry, ekonomizérem, rotačními ohříváky vzduchu a dvěma třísektorovými elektrostatickými odlučovači popílku. Kotel dosahuje při jmenovitém parním výkonu 655 t/h (17 MPa/535°C). Účinnost dosahuje 88 %. Palivem je energetické hnědé uhlí s obsahem síry do 1,8 %. Modelové výpočty byly provedeny pro výhřevnost 15 GJ/t.

Hodinový tepelný příkon kotle je 575 MWt. Při výhřevnosti 15 GJ/t je spotřeba hnědého uhlí. 138 t/h. Pro zapalování a stabilizaci se používá těžký topný olej. Teplota spalin je na vstupu do přehříváků cca 1 150°C, na výstupu se systému přehříváků pak cca 500°C.

Přehled výhřevných ploch posuzovaného kotle

Tlakový systém parního kotle je vyroben z žárupevných a žáruvzdorných nízkolegovaných oceli s obsahem chromu do 1,5 %. Tyto oceli nelze považovat za materiály odolné chlorové korozi. Z uvedeného grafu je zřejmé, že zvýšenou odolnost vůči chlorové korozi lze zaznamenat u materiálů s obsahem chromu větším než 25 %.

Uváděna je neobvykle vysoká výhřevnost TAP. Běžně uváděné hodnoty výhřevnosti TAP jsou v rozmezí 15 až 17 MJ/kg. Výhřevnost uvažovaného TAP pak při snížení na obvyklou úroveň a při zachované uvažované náhradě tepelného výkonu může vést až k dvojnásobným koncentracím Cl ve spalinách.

Parametry páry z energetických a teplárenských jednotek (např. 168 bar a 535°C) vyžadují relativně vysokou teplotu spalin na vstupu do přehříváku. Před vstupem do systému přehříváků vykazují spaliny běžně hodnoty nad 1 000°C. Obsahují-li spaliny určité koncentrace chloru, jsou pak splněny podmínky pro aktivní vysokoteplotní chlorovou korozi, přičemž vyšší koncentrace SO₂ jsou pro tento jev podpůrné.

Z grafu „Oblast vysokoteplotní chlorové koroze“ je zřejmé, že při běžných teplotních poměrech teplárenského či elektrárenského kotle (teplotě povrchu přehříváku kolem 550°C a teplotě proudících spalin nad 800°C je jednoznačně naplněna podmínka existence vysokoteplotní chlorové koroze, a je pouze otázka času a koncentrace chloru ve spalinách, kdy dojde k havárii teplosměnné plochy, a tím k neplánovaným odstávkám, ke snižování fondu provozní doby a ke zvyšování fondu oprav.

Poznámka: Ve Spolkové republice Německo bylo od spoluspalování TAP v podstatě upuštěno a pro spalování náhradních paliv bylo během krátké doby vybudováno přes 30 speciálních zařízení na monospalování náhradních paliv.

Nejen z těchto důvodů se kotle s integrovaným spalováním odpadů konstruují zcela jinak než standardní elektrárenské či teplárenské kotle. Např. teplota přehřáté páry se ve velké většině volí 400°C, teplota spalin před vstupem do konvekčních ploch kotle se volí max. 650°C, přehříváku se předřazuje konvekční výparník. Po době pokusů a omylů byly jasně stanoveny limity jak pro teploty spalin vstupujících do oblastí konvekčních ploch, tak parametry přehřáté páry na výstupu z přehříváku.

Lze tedy konstatovat, že se uvedené parametry sjednotily na následně uvedených limitních hodnotách:

Uvedená problematika byla do nedávna celkem nezajímavá pro projektanty a provozovatele energetických a teplárenských zařízení, nicméně začala nabývat na důležitosti s počátkem hledání náhrady za fosilní paliva (hnědé uhlí, černé uhlí), spoluspalováním biomasy a následně také tzv. „tuhého alternativního paliva (TAP)“.

Charakteristika TAP (Zdroj: Elektrárna Chvaletice, VŠB Technická univerzita Ostrava - Výzkumné energetické centrum)

Je zřejmé, že standardní energetické jednotky tyto podmínky splňovat nemohou a spoluspalování TAP ohrozí provozuschopnost a bezpečnost zdroje.

Vyhodnocení získaných zkušeností jednoznačně vede k závěrům, že rizika spoluspalování odpadů (TAP) na straně provozovatele spalovacího zařízení jednoznačně převažují nad případnými přínosy. Zájem producentů odpadů, resp. odpadových firem, co nejjednodušeji s minimálními náklady zpracovávat odpady, je zde v nesouladu se zájmem provozovatele energetického zdroje, vyrábět co nejefektivněji co nejvíce energie při co nejvyšší spolehlivosti dodávek.

VÝSLEDKY MODELOVÝCH VÝPOČTŮ OBSAHU CHLORU VE SPALINÁCH

Stanovený výpočtový model vychází z tepelného výkonu 575 MW (138 000 kg/hod uhlí, 15 MJ/kg) při následujícím režimu spoluspalování hnědého uhlí a TAP. Byl zvolen model, kdy TAP nahradí 3 % a 5 % tepelného výkonu kotle:

Základem pro první modelové přiblížení problematiky byly stanoveny následující vstupní údaje a podmínky, tedy vstup množství paliva na úrovni 575 MW, a to jak pro spalování pouze hnědého uhlí a dále pro spalování směsi hnědé uhlí + TAP. Cílem modelových výpočtů je pak spalování směsi hnědé uhlí + TAP na stejné úrovni tepelného výkonu.

Následné grafy pak prezentují nárůst koncentrace Cl ve spalinách při zvyšujícím se obsahu Cl v TAP.

Koncentrace Cl ve spalinách lze na první pohled charakterizovat za „přijatelné“ což je zapříčiněno předpokládanou, neobvykle vysokou, výhřevností TAP. Z grafu vyplývá, že lze při cca 5% podílu spoluspalování TAP počítat s koncentracemi chloru ve spalinách do cca 130 mg/Nm³, což je téměř na úrovni spalin z energetického využívání odpadu.

Poznámka: Výpočty byly provedeny za předpokladu, že obsah kyslíku ve spalinách za kotlem se pohybuje v rozmezí 5,8 až 6,3%.

Z grafu je zřejmé, že je nutné počítat s takovými koncentracemi Cl ve spalinách, které se mohou přiblížit koncentracím Cl ve spalinách z energetického využívání odpadů. V kombinaci s vysokými parametry páry klasických energetických zdrojů se jedná o fatální mix hodnot pro tlakovou část kotle.

DISKUSE VÝSLEDKŮ

Je zřejmé, že otázka spoluspalování TAP je pouze přenesení zodpovědnosti z provozovatelů skládek a zařízení MBÚ na provozovatele elektráren a tepláren využívajících fosilní paliva.

Jednoznačně platí, že spoluspalování TAP je pouze zastřené spalování odpadů bez odpovídajícího čištění spalin, tedy že veškeré škodliviny obsažené v TAP budou ve své absolutní hodnotě emitovány do ovzduší.

V případě spoluspalování TAP v standardních teplárenských a elektrárenských kotlích je nutné počítat s obdobnými emisemi jako u spalování odpadu bez čištění spalin. Tedy spoluspalující elektrárenská jednotka se stane „maskovanou spalovnou“ bez patřičné ochrany životního prostředí.

Jak již bylo v úvodu uvedeno, projektanti a konstruktéři kotlů pro spalování komunálního odpadu, znalí možných limitů kotelních jednotek, volí parametry zařízení v uvedených mezích, provozovatelé konvenčních zdrojů spalujících fosilní paliva tuto možnost nemají.

Porovnáme-li praxí ověřenou konstrukci jednotky spalující odpady s granulačním kotlem spalujícím hnědé uhlí, lze najít celou řadu shodných konstrukčních prvků. Značný rozdíl je pak v teplotě ohniště (jádro plamenu).

Zásadní rozdíl je však v ochraně teplosměnných ploch před působením halogenních prvků. Zatímco u spalovenského kotle jsou teplosměnné plochy ohniště a prvního tahu chráněny žárobetonem, obkladem SiC a návarem (cladding), jsou plochy granulačního kotle vystaveny přímému vlivu HCl a HF, a to za teplot výrazně podporujících chlorovou korozi.

Otázkou tedy není, zda dojde vlivem chlorové koroze k destrukci teplosměnných ploch kotle, ale pouze kdy, neboť doba kdy dojde k destrukci teplosměnných ploch, je pouze funkcí teploty a koncentrace chloru. Jak je uvedeno, spaliny ze spoluspalovacího režimu mohou vykazovat koncentrace chloru na úrovni spalin ze spalování komunálního odpadu.

Četnost výměny přehříváků lze tedy s jistou rezervou uvažovat jednou za rok až jednou za čtyři roky. K postupné degradaci dojde zřejmě i u kovových částí a izolačních vyzdívek ohniště.

CHLOROVÁ KOROZE

Chlorová koroze, také vysokoteplotní chlorová koroze – je důvěrně známý pojem projektantům a provozovatelům kotlů na energetické využívání odpadů. Korozivní reakce či průběh koroze lze rozdělit do tří fází:

• Tvorba relevantních sloučenin během spalovacího procesu.
• Transport těchto sloučenin spalinovou cestou.
• Tvorba usazenin na povrchu teplosměnných ploch a reakce s materiálem trubek.

Základními postuláty vysokoteplotní chlorové koroze, jsou zejména tvorba chloridu železitého (FeCl₃) a chloridu železnatého (FeCl₂) na povrchu materiálu teplosměnné plochy, zplyňování chloridů železa v závislosti na lokální provozní teplotě, s následným rozkladem chloridů železa reakcí s kyslíkem a oxidy síry, které difundují ze spalin směrem ke stěně trubky.

Při spalovacím procesu se vyskytují provozní stavy lokálně s vysokým obsahem kyslíku, nebo s vysokým přebytkem vápníku (u fluidních kotlů při odsiřování spalin). To vede ke změně reakčního mechanizmu přeměny chloridů. Chloridy pak na chlazených teplosměnných plochách kondenzují a nastartuji se tak korozní mechanismy i při nízkém obsahu chloru. Mechanizmus má zřejmě lokální charakter.

Rizikovými faktory, které by mohly, být příčinou vysokoteplotní koroze trubek přehříváků z nízkolegované oceli jsou:

• Zvýšená teplota stěny – nedostatečné chlazení.
• Silný vnitřní nános.
• Vysoká teplota spalin.
• Vysoký tepelný tok přídavného namáhání vysokého teplotního gradientu a lokálních změn teploty (ofukovače, rychlé najíždění).
• Mechanické napětí (cyklické namáhání, změny napětí od dilatací).
• Nedokonalé spalování - redukční podmínky.

Rychlost koroze je považována za normální pod úrovní 0,25 mm/10 000 h, za silnou nad 1,00 mm/10 000 h až 5,00 mm/10 000 h. U kotlů na energetické využívání odpadu s vyššími parametry páry byly zjištěny výrazné úbytky materiálu.

Reálně se dá u těchto kotlů počítat s rychlostí koroze 1,00 až 1,5 mm/10 000 h. Je-li pro ještě bezpečný provoz minimální tloušťka stěny trubky 2,5 mm, musely by se zhruba každé dva roky trubky vyměňovat.

Na teplosměnných plochách elektrárenských a teplárenských doposud nebylo působení chlorové koroze zaznamenáno v takovém rozsahu, aby vyvolalo pozornost. Nicméně v poslední době se stává otázka chlorové koroze u kotlů na spalování, spoluspalování biomasy či TAP aktuální.

Vysokoteplotní chlorová koroze byla zjištěna v oblasti ohniště-spalovací komory, u přehříváků a mezipřehříváků.

ZÁVĚRY

Z vyhodnocení výpočtů při navrhovaném částečném spalování TAP v granulačních kotlích vyplývá:

• Dávkování paliva spolu s TAP může negativně ovlivnit melitelnost uhlí (tvorba nálepů) tím negativně ovlivnit provozní spolehlivost zařízení.
• Ohledně vlastního vstupu TAP do kotle se dá zatím uvažovat společné dávkování uhelného prášku a rozemletého TAP.
• Spoluspalování TAP by vyžadovalo doplnit technologický řetězec o kvantitativní a kvalitativní kontrolu, dva zásobníky TAP, dopravní cesty do zásobníků TAP, dávkovací zařízení, gravimetrický výstup TAP ze zásobníků, přesyp na gumový pás, transport TAP k mlecímu zařízení, dávkování TAP do mlecího zařízení, protipožární zabezpečení a zařazení řetězce do regulace a měření, doplnění kontinuálního měření emisí, protipožární zabezpečení.
• Nestabilní kvalita TAP (obsah Cl, těžkých kovů a hodnota výhřevnosti) vede ke zvýšení rizika degradace teplosměnných ploch.
• Degradace teplosměnných ploch chlorovou korozí může významně ovlivnit životnost a provozní spolehlivost kotelní jednotky.
• Již při deklarovaném obsahu chloru v TAP lze očekávat jeho koncentrace ve spalinách v hodnotě přes 120 mg Cl/Nm3 . Tím se bude zvyšovat riziko vysokoteplotní chlorové koroze, která napadá teplosměnné plochy trubkových systémů přehříváků. Při standardních teplotních poměrech teplárenského kotle (teplotě povrchu přehříváku kolem 550°C a teplotě proudících spalin 1 100°C) je jednoznačně naplněna podmínka vzniku vysokoteplotní chlorové koroze, a je pouze otázka času a koncentrace chloru ve spalinách, kdy dojde k havárii teplosměnné plochy a tím k neplánovaným odstávkám a snížení fondu provozní doby. Orientačně lze výměnu přehříváků uvažovat jednou za rok až jednou za čtyři roky.
• Emisní limity spoluspalovacího režimu při deklarovaném podílu spalování TAP, nebude možné bez dalších sekundárních opatření (instalace vhodného systému čištění spalin k omezování emisí těžkých kovů a PCDD/F) dodržet.
• Investice spojené se spoluspalováním TAP zřejmě převýší výnosy a předem se velmi těžce odhadují, neboť závisí na spalování TAP v konkrétních podmínkách. Provozovatelům to přináší značná provozní a ekonomická rizika. Cílem tohoto příspěvku je posouzení vhodnosti spoluspalování TAP v standardních energetických kotlích z hlediska procesu, nikoliv z hlediska investičních nákladů. Nicméně vynucená investice se může pohybovat v řádu milionů USD.

Z provedených rozborů vyplývá nevhodnost resp. obtížnost spoluspalování TAP v práškových kotlích resp. obecně v elektrárenských a teplárenských standardních jednotkách se standardními parametry páry.

Z praktických důvodů nelze doporučit spoluspalování TAP v granulačních kotlích resp. v energetických kotlích se standardními parametry páry včetně fluidních či roštových ohnišť.

Řešením by byla výstavba speciálního zařízení na monospalování TAP, což by byla řádově investice v desítkách milionů USD. Jedná se však o dodatečnou investici k předřazené MBÚ. V takovém případě by odpad prošel nejprve zařízením MBÚ, aby se mohl rozdělit na část určenou do skládky a na část určenou pro zařízení na monospalování TAP. Je zcela zřejmé, že začlenění MBÚ do systému odpadového hospodářství, byť z lokálně politických důvodů, je nadbytečné a že se odpadové hospodářství bez MBÚ může obejít.

Zdroje
1. Archiv E.I.C., spol. s r.o. .
2. Führer K., Herbell J.D.: Heizflächenkorrosion und Schäden an der Feuerfestauskleidung im MHKW Essen-Karnap, 2000.
3. Gleis M., Raesfeld U. : Ersatzbrennstoffkraftwerke in Deutschland - Status Quo 2010. Müll-Handbuch. Berlin: Erich Schmidt Verlag, 2011.
4. Procesní programy společnosti E.I.C., spol. s r.o. .
5. Sachverständigenrat für Umweltfragen: Umweltschutz im Zeichen des Klimawandels, hodnotící zpráva za roky 2005 – 2008.
6. Stavba kotlů, ČVUT Praha, 2013
7. Zpráva z analýzy TAP, VŠB TU Ostrava

Co-firing of solid alternative fuel from mechanical and biological waste treatment? Operation says a clear NO!
The EU as a whole is preparing to ban untreated municipal waste in landfills (a number of EU members have already done so). It is clear that without an adequate number of reliable, effective technologies, such an objective cannot be achieved. In addition to decades of well-proven energy-efficient waste technology, targeted technologies have also been developed that have the potential to somewhat restrain further growth in undesirable landfill waste volumes. Simply and correctly put, waste will be divided into two groups—one that lacks a significant calorific value and can be placed in landfills, and a second, which demonstrates a certain calorific value and is therefore called a Refuse Derivate Fuel, abbreviated RDF. For this treated waste, a method is sought for its utilization as a fuel capable of being incinerated together with fossil fuels in standard energy units. This was tried in one case, with the result that it is clear that this type of waste treatment cannot be recommended for both operational and ecological reasons.

Autor

• Prof. Ing. Hyžík Jaroslav Ph.D.