W procesie termicznego przekształcania istotna jest temperatura topnienia pozostałości niepalnych (750°C – 1500°C) oraz ich skład chemiczny. Proces reakcyjny powinien zapewniać całkowite zgazowanie produktów w warunkach fazy stałej składników niepalnych, co umożliwia wyeliminowanie wtapiania i spiekania w nich częściowo zgazowanych frakcji palnych z dużą zawartością węgla. Inne znane technologie z reaktorami ze złożem stałym do zgazowania i spalania mają ograniczone zastosowanie do termicznego przekształcania frakcji palnych odpadów, ponieważ niepalne pozostałości w wyniku ich spiekania występują w postaci żużla z dużą zawartością węgla. Wszystkie znane technologie wymagają stosowania kosztownych metod redukcji i utylizacji zanieczyszczeń z procesu.

W Polsce i na świecie przeprowadzono szereg badań w zakresie sposobów spalania i ograniczenia emisyjności zanieczyszczeń przy wytwarzaniu energii z odpadów. W tym celu opracowano i wdrożono wiele metod oczyszczania spalin, tzw. pierwotne i wtórne, suche, półsuche i mokre . Wszystkie znane metody oparte są głównie na wprowadzaniu do procesów spalania odpadów i gazów spalinowych, reagentów stałych lub ciekłych i katalizatorów, których wytworzenie i utylizacja również obciąża środowisko oraz znacznie zwiększa koszty eksploatacyjne takich instalacji. Metody te, ze względu na znaczne nakłady inwestycyjne i koszty eksploatacyjne, mają ograniczone zastosowanie w technologiach stosowanych w małych instalacjach termicznego przekształcania odpadów. Nie były dotychczas znane rozwiązania w zakresie skutecznej redukcji zanieczyszczeń, w procesie termicznego przekształcania odpadów komunalnych i osadów ściekowych, z reagentami zawartymi w jednorocznej biomasie roślinnej, mączkach mięsno-kostnych oraz w odpadowych mułach węglowych, zawierających duże ilości związków chemicznych, stosowanych w technologiach oczyszczania spalin (wapno, potas, sód). Nie były również znane rozwiązania w zakresie określenia ilości powstawania dioksyn i furanów w wyniku wtórnej ich syntezy ( w procesie tzw. “de novo”), w zależności od szybkości schładzania spalin w zakresie ich temperatur od 750°C do 200°C, przy określonej ilości pyłów i ich składu chemicznego oraz określonej ilości pary wodnej.

Proponowane instalacje termicznego przekształcania odpadów z technologią WAFA obejmują wskazane elementy technologii w zakresie redukcji zanieczyszczeń gazowych. Znane technologie komorowe do odzysku energii z odpadów, wykorzystują głównie procesy ich zgazowania i spalania uzyskanego syngazu w zewnętrznych urządzeniach do odzysku energii. Obsługa tych technologii wymaga znacznej liczby odpowiednio kwalifikowanych pracowników. Nie są znane inne małe instalacje o możliwości bezodpadowego zagospodarowania frakcji palnych odpadów komunalnych o rocznym przerobie do ok. 10 tys. Mg. Przeprowadzone analizy ekonomiczno-techniczne w zakresie spalarni odpadów wskazują, że ze względu na duże nakłady inwestycyjne na instalacje oczyszczania spalin (do 50% kosztów spalarni) ekonomiczna opłacalność przedsięwzięcia wymaga budowy spalarni odpadów o przerobie min. 60 tys. Mg rocznie. Proponowana technologia WAFA o zakładanym przerobie odpadów, obejmie w sposób kompleksowy ich zagospodarowanie, od momentu ich pozyskania, poprzez wytworzenie mieszanek o odpowiednim ładunku energetycznym, ich niskoemisyjne termiczne przekształcenie w warunkach wytwarzania obojętnego dla środowiska balastu, wysokosprawnego odzysku energii, oraz redukcji zanieczyszczeń w spalinach, głównie reagentami z odpadowej biomasy. Instalacja realizująca technologię WAFA wyposażona jest w systemem sterowania, umożliwiający jej całodobową eksploatacje z minimalną obsługą. Procesy sterowania i wizualizacji procesów eksploatacyjnych mogą być prowadzone przez operatora łączami internetowymi. Operator w czasie rzeczywistym otrzyma informację o parametrach procesowych, emisyjności zanieczyszczeń oraz zagrożeniach awaryjnych lub awarii. Zdalnie przeprowadzone mogą być rozruchy i wyłączanie z ruchu instalacji. Znane technologie, w przypadkach przekroczenia standardów emisyjnych zanieczyszczeń gazowych, wymagających awaryjnego wyłączenia spalarni odpadów, zawierają ich duże ilości, które dopalając się w sposób niekontrolowany, powodują znaczne zagrożenie dla środowiska.

2. Technologia WAFA

Technologia WAFA uzyskana została w wyniku realizacji prac badawczych i rozwojowych w ramach:

II konkursu INNOTECH w projekcie pt. “Odzysk energii z wytwarzaniem produktów fosforowych w procesie wysokotemperaturowego przetwarzania mieszanek biomasy roślinnej i zwierzęcej” w konsorcjum z udziałem Politechniki Krakowskiej oraz:
— II konkursu GEKON pt. “ Odzysk Energii z Odpadów Komunalnych i Biomasy” w konsorcjum z udziałem Fabryki Kotłów FAKO SA oraz Politechnik Warszawskiej i Krakowskiej, dofinansowanych przez NCBiR oraz NFOŚiGW.

Technologia WAFA oparta jest na innowacyjnym sposobie termicznego przekształcaniu mieszanek w reaktorze, realizowanej w wyniku szeregu procesów termodynamicznych, wymiany ciepła i masy oraz egzo- i endotermicznych reakcji chemicznych zachodzących w temperaturach od 350°C do 1500°C, umożliwiających ich konwersję do postaci gazowej i balastu bez depozytu węgla. W procesie uczestniczą czynniki utleniające, w postaci sprężonego powietrza, pary wodnej i zewnętrznie recyrkulowanych, schłodzonych spalin, spełniające również funkcję ściśle określonego, wielokierunkowego przenoszenia zgazowywanych surowców w reaktorze, spalania wytwarzanego gazu reaktorowego oraz ukierunkowanego transportu balastu wraz z jego dodatkowym zgazowywaniem i dopalaniem. Cechą charakterystyczną w technologii są wirowe prostopadłe kierunki przepływu fazy stałej i gazowej oraz w końcowym procesie termicznego przekształcania, równoległe kierunki przepływu fazy gazowej i ciekłej. Rozdrobnione surowce w określonych strefach reakcyjnych w warunkach quasi-pirolizy ulegają wysuszeniu i zgazowaniu, niepalne pozostałości stopnieniu. Gaz reaktorowy spalany jest głównie w dolnej strefie reaktora i całkowicie dopalany w płomienicy reaktora, ciekły balast odprowadzany zostanie z płomienicy do separatora i zrzucany do chłodnicy. Uzyskiwany witryfikat w chłodnicy przesypywany jest do zbiornika magazynowego. Technologia przewiduje, nie znany w innych rozwiązaniach, system odzysku ciepła i schładzania gazów

spalinowych, w specjalnie do tego celu opracowanych wymiennikach:

1. Pionowym I - dla wytwarzania pary wodnej z system separacji płynnego balastu od spalin, jego zrzutu, chłodzenia i transportu.
2. Poziomym I - dla przegrzewania pary wodnej do celów procesowych
3. Poziomym II - z systemem rozpylania dyszowego wody (skruber I) dla szokowego schładzania gazów spalinowych i redukcji zanieczyszczeń.
4. Pionowym II - do podgrzewania wody wymiennika parowego i kondensacji pary wodnej zawartej w gazach spalinowych.

Końcowym etapem oczyszczania gazów spalinowych z zanieczyszczeń do dopuszczalnego poziomu, określonego standardami emisyjności, jest innowacyjny system płuczki cieczowej z dwoma systemami rozpylania dyszowego reagentów (skrubery II, III) i z zestawem demisterów. Płuczka cieczowa współpracuje z dwoma sekwencyjnie pracującymi zbiornikami sedymentacyjnymi, w których następuje grawitacyjne oddzielenie wody, reagentów i szlamów, które następnie odprowadzane są do odpowiednich zbiorników magazynowych. Szlamy, w postaci półpłynnych mieszanek pyłów z reagentami i wodą, wrzucane są specjalną dyszą do upłynnionych, niepalnych pozostałości w płomienicy reaktora. Zawarte w szlamach pyły, o wysokiej temperaturze płynięcia zostają “wtopione” w witryfikaty i w tej postaci nie stanowią zagrożenia dla środowiska.

3. Instalacja z technologią WAFA

Instalacja zbudowana jest z podstawowych bloków procesowych do realizacji technologii WAFA :

4. Schemat działania instalacji WAFA

5. Opis sterowania instalacji z technologią WAFA

Sterowanie instalacją

Instalacja z technologią WAFA wyposażona jest w system sterowania z programem operacyjnym. Za pośrednictwem sieci czujników pomiarowych i sterownika PLC, parametry i sygnały wyjściowe (y) oraz wejściowe (u) są na bieżąco gromadzone przez układ śledzący, który estymuje aktualny model dynamiki instalacji. Na jego podstawie obliczane są parametry kontrolne (v) przekazywane w czasie rzeczywistym do regulatora, również zrealizowanego na PLC. Układ pozwala na ręczne sterowanie i kontrolę (gdyby zaistniała taka potrzeba), w szczególności w fazie rozruchu i stabilizacji pracy rektora. Możliwe będzie również sterowanie zdalne za pośrednictwem systemu komputerowego typu SCADA. Ogólna postać modelu obiektu z czasem dyskretnym obejmują nastawy regulatora i rejestrację parametrów wyjściowych i procesowych oraz warunków losowych.

1. Oprogramowania sterownika PLC, stanowiącego centralną część regulatora i jednocześnie gromadzącego i przesyłającego dane pomiarowe z czujników do dalszej analizy.
2. Bloku odpowiedzialnego za adaptację modelu instalacji do zmiennych warunków działania. Jego zadaniem jest aktualizacja na bieżąco parametrów procesowych.
3. Systemu komputerowy typu SCADA pozwalający na wszechstronny, ciągły nadzór nad procesem z dowolnego autoryzowanego miejsca. Jego zadaniem jest również, z uwagi na wymagane przepisy prawne, archiwizacja danych procesowych. Blok ten umożliwi integrację układu sterowania instalacją z innymi systemami zarządzania.

4. Specjalistycznego systemu analitycznego służącego do gromadzenia, przetwarzania i analizy informacji zebranych w trakcie eksploatacji instalacji. Z jego pomocą zostaną ewentualnie zmodyfi kowane struktury regulatora i systemu adaptacyjnej identyfi kacji modelu procesu. Jest niezbędny w fazie wdrożenia technologii WAFA z dedykowanymi odpadami. Natomiast podczas eksploatacji może być potrzebny, o ile zajdzie konieczność modyfi kacji lub unowocześnienia systemu automatycznego sterowania instalacją. Wykorzystane zostaną wtedy również zarchiwizowane dane procesowe. Gdyby w toku realizacji procesów technologicznych w instalacji okazało się, że można uznać ich dynamikę za liniową, wtedy niektóre funkcje mogą mieć postać odwzorowań liniowych macierzowych, co znacznie ułatwi przeprojektowanie bloku adaptacyjnego.

Opis sterowania instalacji

Procesy rozruchu, termicznego przekształcania mieszanek odpadów, dopalania gazu i wytwarzania pary, realizowane są sterownikami przemysłowymi z opracowanym dla potrzeb technologii programem operacyjnym, które umożliwiają automatyczne prowadzenie procesu technologicznego, archiwizowanie przeprowadzanych ustawień, wizualizację procesu oraz zdalną zmianę ustawień. Dla tego celu przyjęto ogólną postać modelu obiektu z czasem dyskretnym:

1. Parametry wejściowe obejmujące nastawy regulatora i ich archiwizację:
   1. rodzaj próbki mieszanek (określony skład dodatków); temperatury w strefach reaktora i wymienników dla odzysku ciepła;
   2. ciśnienia gazów w reaktorze, wymienników ciepła, płuczce i emitorze;
   3. częstotliwość falowników wentylatorów powietrza utleniającego, recyrkulowanych spalin i gazów;
   4. stopień otwarcia przepustnic paliwa do rozgrzewania i stabilizacji temperatury, ilości powietrza do palników, gazów odlotowych, recyrkulowanych gazów spalinowych, pary wodnej do procesu zgazowania oraz do rozpylania paliwa i reagentów, ilości reagentów;
   5. wydajności dozowników mieszanek odpadów;
   6. ilość i parametry pary wodnej zużywanej do celów technologicznych;

2. Warunki losowe obejmujące rejestrację i archiwizację:
   1. awarie i zużycie się elementów instalacji;
   2. nieuniknione i niemożliwe do kontrolowania zmiany składu i właściwości mieszanek odpadów;
   3. nagłe zmiany w odbiorze wytwarzanej energii cieplnej;
   4. niedokładności pomiarów;
3. Parametry wyjściowe obejmujące rejestrację i archiwizacje:
   1. ciśnienie pary wodnej, temperaturę gorącej wody i powietrza procesowego;
   2. składu chemicznego gazów odlotowych;
   3. zawartości pyłów w gazach odlotowych;
   4. temperatur w poszczególnych strefach reaktora i wymiennikach ciepła;
   5. ilości i parametry wytworzonejpary wodnej i witryfi katów;

6. Eksploatacja instalacji z technologią WAFA

Pomiary emisyjności zanieczyszczeń prowadzone są w sposób ciągły w trakcie termicznego przekształcania odpadów z zastosowaniem metody grawimetrycznej dla pyłu ogółem oraz metodą absorpcji promieniowania IR dla SO2 ; NOx ; CO, HCl, HF i H2O. Pomiar zawartości tlenu odbywa się z zastosowaniem celi cyrkonowych. Substancje organiczne w postaci gazów i par wyrażone jako TOC mierzone są techniką ciągłej detekcji płomieniowo-jonizacyjnej FID. Zawartość metali ciężkich w gazach odlotowych badana jest techniką spektrometrii emisyjnej w plazmie argonowej (ICP). Oznaczenia zawartości związków (PCDDs/ PCDFs) przeprowadzane są w specjalistycznych laboratorium analitycznym, w trakcie autorskiej eksploatacji instalacji. W przypadkach przekroczeń dopuszczalnej emisyjności zanieczyszczeń w dowolnej próbce, prowadzone będą pomiary ze stopniowym wprowadzaniem dodatkowych reagentów, aż do uzyskania pozytywnych efektów. Dokonany zostanie wybór najkorzystniejszy dla minimalnej emisyjności zanieczyszczeń zestaw reagentów, które jako optymalne, uzupełnione będą do stosowania w fazie eksploatacyjnej. Przeprowadzone będą prace dla uzyskania optymalnych parametrów procesów termicznego przekształcania i wymiany ciepła. Zmieniane będą temperatury i czasy prowadzenia procesów w poszczególnych strefach reaktora, poprzez zmianę czynników utleniających, powietrza i pary wodnej, ilości i ciśnienia recyrkulowanych, schłodzonych gazów. W poszczególnych strefach reaktora przeprowadzone będą na reprezentacyjnych próbkach analizy w zakresie:

1. Procesów suszenia – oznaczenie czasu i szybkości odparowania wody zawartej w próbkach w zależności od temperatury procesu w zakresie 100°C do 500°C oraz zawartości wilgoci i wymiarów składników próbek,

2. Procesów kinetyki pirolizy – wyznaczenie szybkości pirolizy i stopnia konwersji próbek w fazę gazową w zależności od temperatury, wymiarów składników i czasu procesu oraz oznaczenie składu chemicznego gazu pirolitycznego,
3. Procesów kinetyki zgazowania – wyznaczenie szybkości zgazowania w zależności od ilości i rodzaju utleniaczy dla uzyskania optymalnych temperatur i czasów tego procesu oraz oznaczenie składu chemicznego gazu reaktorowego,
4. Procesów kinetyki spalania – wyznaczenie ilości i rodzaju utleniaczy dla uzyskania optymalnej temperatury spalania dla minimalnej ilości wytwarzania tlenków węgla i azotu oraz minimalnej temperatury dla stopienia niepalnych pozostałości.

Modelowany będzie sposób wymiany ciepła poprzez zmianę prędkości przepływu gazów spalinowych w wymiennikach i ilości rozpylanych płynnych reagentów. Przeprowadzone prace, z udziałem reprezentacyjnych próbek, pozwolą na określenie dopuszczalnego udziału w odpadach szkodliwych składników oraz ilości odpadowej biomasy roślinnej lub/i reagentów sodowych (w tym zmielonych odpadów szkła), dla wytwarzania płynnego złoża w celu zeszkliwienia niepalnych pozostałości (witryfi kacja). Przeprowadzone prace w ramach autorskiej eksploatacji pozwolą na odpowiednią adaptację programu operacyjnego dla sterowania procesami termicznego przekształcania dedykowanych odpadów i odzysku energii, ograniczenia emisyjności zanieczyszczeń oraz wytwarzania witryfi katów, co umożliwi eksploatację instalacji w warunkach stabilnie ekonomicznego, bezpiecznego i życzliwego otoczenia społecznego.

7. Podstawowe parametry techniczne instalacji z technologią WAFA