A hulladékgazdálkodás legújabb fejlesztési lehetőségei TERMOLÍZIS KÍSÉRLETI ÜZEM EREDMÉNYEI MAGYARORSZÁGON KORZENSZKY Péter 1 SIMÁNDI Péter 2 1 Szent István Egyetem Gépészmérnöki Kar, 2100 Gödöllő, Páter K. u. 1., korzenszky.peter@gek.szie.hu 2 Szent István Egyetem Gazdasági, Agrár- és Egészségtudományi Kar, Tessedik Campus, Környezettudományi Intézet, 5540 Szarvas, Szabadság u. 1-3., simandi.peter@gk.szie.hu Bevezetés Ez a cikk a Magyarországon, Mezőberényben az Environ-Energie Kft. által tervezett, megépített és működtetett EE-MBPT/01 berendezés tesztelésének tapasztalatairól számol be. A projekt célja az volt, hogy a Magyarországon működő termolízis technológiák/üzemekre vonatkozóan összehasonlítási alapul szolgáljon és a tapasztalatok összemérhetővé váljanak. Az alacsony hőmérsékletű (450 C) termolízis berendezés az Environ-Energie Kft. nem sorozatgyártásban készített ipari berendezése, melyet felajánlott mint klasztertag együttműködés keretében a Klaszter a Környezettudatos Fejlődésért klaszter egy másik tagjának a Szent István Egyetemnek tesztelésre. A feldolgozott alapanyagok összetételét folyamatosan figyelik. A végtermékeket tárolják, azok fizikai és kémiai tulajdonságaikat külön-külön rögzítik és elemzik. A rendszer folyamatos ellenőrzés alatt áll, mind a fizikai és kémiai paraméterek, mind pedig a termolítikus folyamat fő paraméterei tekintetében. A folyamat során mérik és tárolják a hőmérséklet és a nyomás értékeket. A kísérleti berendezés képes semlegesíteni különböző alapanyagokat (pl. hulladékot) termolítikus lebomlás által, megfelelve mind a hulladékgazdálkodási, mind a környezetvédelmi szempontoknak. Irodalmi áttekintés A termolízis technológiának igen nagy irodalma van világszerte. A folyamatnak igen sok ellenzője és jeles képviselője is van. A földön felhalmozódott hulladék mennyiségének csökkentése ugyanakkor megoldást sürget. Mint ismeretes, a termolízis alkalmazása esetén egy tonna abroncs megfeleltethető egy tonna jó minőségű kőszénnek, ami közel 750 kg kőolaj kiváltásával arányos. Egymással ellentétes, és sokszor vitatható alapokon nyugvó vélemények forognak a köztudatban a termikus hulladékhasznosítás, ezen belül is különösen a hőbontáson alapuló megoldások kapcsán, melyeket megfelelő számú üzemi tapasztalat alapján nem lehetet eddig egyelőre alátámasztani. A hőbontásos technológia, a zöld gazdaság társadalomra gyakorolt hatásainak legáltalánosabb vonatkozásaival, a hulladékgazdálkodás területfejlesztési politikával, a zöld energetika és annak területi aspektusaival több szerző is foglalkozik. A zöld áram, a kőolajimport csökkentés, szemétszállítási díjcsökkentés, munkahely teremtés nagy előnye lehet egy új létesítésű termolízis üzemnek (Duray et al., 2013). Számos laboratóriumi módszer foglalkozik a termolízis maradékok elemzésével, Pl.: UV-VIS spektrum, mely a jövőben a technológia egyik gyors elemző módszere is lehet. 1
Alapkutatás fejlesztés a Szent István Egyetem Pirolízis Technológia Kutatóközpontjában Zárókonferencia Szarvas, 2015 A gyors eljárások lényege, hogy a több órás folyamat során menet közben keletkezett anyagokról mihamarabb pontos információkkal rendelkezzünk (Vágó et al., 2013). A termolízis során keletkezett szilárd melléktermékek további felhasználhatóságának vizsgálatával is tudományos műhelyek foglalkoznak. A bioszenek talajba keverésével a biomasszában megkötött szenet képesek vagyunk visszajuttatni a talajba az így megkötött mennyiség pedig nem kerül vissza a légkörbe (Gulyás et al., 2014). Számos kisebb-nagyobb berendezést készítettek már világszerte, sok helyen működik folyamatos üzemű, egyfajta alapanyagra beállított technológia. Ugyanakkor a különféle hulladékok keverékeként érkező termolízis alapanyagok együttes viselkedése ez idáig nem kutatott téma. Az új innovációs lehetőségekről több szerző is beszámol (Lányi et al., 2013), (Korzenszky et al., 2014). Egy termolízis kísérleti üzem kutatási eredményei új távlatokat nyithatnak a hulladékból nyert energia népszerűsítésének. Kétféleképpen tekinthetünk az egyéb módon már nem használható anyagokra egyrészt hulladéknak tekintjük és kezeljük őket, vagy látjuk a bennük rejlő lehetőséget a további feldolgozásra, hasznosításra. A hulladékban rejlő energiát hasznosító eljárások - például hőbontásos technológia - létfontosságúak, hogy felgyorsítsák a hulladékáramok eltérítését a végső lerakástól. Anyag és módszer A technológia telepítésének első lépése az elkészült tervek, dokumentációk alapján az üzemméretek pontosítása, meghatározása. A technológia ismeretében a berendezés létesítési feltételeinek megvizsgálását követően a lehetséges helyszínek kiválasztása az egyik sarkalatos kérdése a projektnek. A megrendelt és beszerzésre kerülő eszközök, gépek, berendezések leszállításának megszervezését követően a helyszíni átvétel lebonyolítása ugyancsak lényeges és fontos feladatot jelentett. A helyszínrajz és a technológia ismeretében a helyi sajátosságoknak megfelelően ki kell építeni a megfelelő infrastruktúrát (világítás, víz, áram, informatika). A technológiai terv alapján a gépek, berendezések helyének kialakítása és annak véglegesítését követően a rendszer összeszerelése következik, majd pedig a kapcsolódó segédüzemek elhelyezése. A hőbontásos eljárás lényege, hogy egy kettős falú reaktorban 400-600 C hőmérséklet tartományban, keverés segítségével atmoszferikus nyomáson, oxigénmentes körülmények között, a beadagolt alapanyagból hasznosítható folyékony, gáznemű és szilárd halmazállapotú végtermék keletkezik. A technológia első lépése általánosságban arra szolgál, hogy a különféle alapanyagokat termikusan kezeljék annak érdekében, hogy a különféle vegyületek megfelelően felbomoljanak, az inert anyagok eltávozzanak és a hasznosítható anyagokat vissza lehessen nyerni. A technológiában a reaktorban végbemenő hőbontás során a feldolgozandó alapanyag elgázosításra kerül, ennek a bontási technológiai fázisnak eredményeképpen létrejövő gázhalmazállapotú anyag részben olajgőzökből, részben éghető gázokból áll. A gőz-gáz keverékből vizes szeparátorban kerül leválasztásra a nehézolaj, mely több ezt követő technológiai fázison keresztül (pl. tisztítás) nyeri el végleges végtermék fázisát. A zárt ciklusú technológiában a hőbontás során elgázosodó alapanyag alkotórészeire bontása során keletkező gázok éghető része különféle elválasztó és tisztító eljárásokat követően visszavezetésre kerülnek a reaktor kazánjába. Így a kazán működtetéséhez 2
A hulladékgazdálkodás legújabb fejlesztési lehetőségei szükséges gáz saját forrásból biztosítható. A gáz kénmentesítése szükséges a feldolgozott alapanyagtól függően, a technológiához külön technológiai víz biztosítása nem szükséges. A második technológiai lépés a gőztermeléssel vagy egyéb energetikai hasznosítással van összekapcsolva. A technológiához elő- és utókezelések is tartoznak, amely alatt pl. az alapanyag előkészítését, a maradvány kezelését, a víztisztítást vagy a füstgázkezelést értjük. A következő ábra ezen rendkívül bonyolult folyamat nagyon leegyszerűsített sematikus elvi rajzát mutatja (1. ábra). energia: [J]; [kwh] gáz / olaj / villamos áram alapanyag: [kg] hulladék információ: nyomás / hőmérséklet / idő Termolízis reaktor energia: [J] hő energia végtermék: [kg] korom / gáz / olaj / fém /salak információ: nyomás / hőmérséklet / idő Figure 1. Schematic diagram of the pyrolysis process 1. ábra. A termolízis folyamat elméleti váza A Mezőberényi üzemben működő EE-MBPT/01 technológia alkalmas hasonló felépítésű termolízis rendszerekkel történő összehasonlító vizsgálatok lefolytatására. A megvalósított berendezés 3D-s vázlatát a következő ábra szemlélteti (2. ábra). 1. 12. 11. 3. 4. 6. 7. 2. 5. 8. 9. 10. 2. ábra. A termolízis technológia 3D-s bemutatása 1 Reaktor, 2 Gázgyűjtő, 3 Gázhűtő, 4 Olaj-víz leválasztó, 5 Nehézolaj tartály, 6 Kondenzátor I., 7 Kondenzátor II., 8 Könnyűolaj tartály, 9 Gázmosó tartály, 10 Vákuumszivattyú, 11 Gázfáklya, 12 Füstgáz elvezetés Figure 2. The pyrolysis technology in 3D 1 Reactor, 2 - Gas holder, 3 - Gas cooler, 4 - Oil-water separator, 5 - Heavy oil tank, 6 - Condenser I., 7 - Condenser II., 8 - Light oil tank, 9 - Gas scrubber, 10 - Vacuum pump, 11 - Gas flare, 12 Flue gas pipe 3
Alapkutatás fejlesztés a Szent István Egyetem Pirolízis Technológia Kutatóközpontjában Zárókonferencia Szarvas, 2015 A technológia majdnem minden nevezetes pontja monitorozható vagy mintavételre alkalmas. A mérési pontok úgy lettek meghatározva a berendezésen, hogy azok a folyamatot ne befolyásolják, de közvetlen információval szolgáljanak a mért paraméteréről. A technológiát jellemző főbb paraméterek, mint például a hőmérséklet, nyomás értékek másodperces mintavételi idővel rögzítésre kerülnek a vezérlő teremben elhelyezett számítógépen. Az egyszerű és gyors adatkommunikációt moduláris PLC segítségével oldottuk meg a lassan változó termolízis folyamathoz. A mérési pontok azonosítását belső kódrendszer segíti, mely tartalmazza a mérési helyet, a mért paramétert és az adott technológiai lépés sorszámát. Példaként a PT012-es mérőhely a forgókemence (reaktor) kilépő gáz nyomását méri. A mérőhelyek azonosításához a következő táblázat ad eligazítást (1. táblázat). L folyadék szint P nyomás 1. táblázat. A mérőhelyek azonosítása (PT012) P T 01 2 T hőmérséklet Technológiai T - technológia Q gáz lépés sorszáma Table 1. Identification of measuring point (PT012) 1 belépő adat 2 kilépő adat A folyamatirányító és megjelenítő rendszer magában foglalja a grafikus megjelenítést, az operátori kapcsolattartást, a beavatkozásokat, a vezérléseket, a kommunikációt, a hálózatkezelést, az adatbázis-kezelést, valamint az adatgyűjtést. A folyamat felől érkező információ nagyfelbontású színes grafikus ábrákon kerülnek vektorgrafikus formában megjelenítésre. A folyamatképek különféle animációkat, grafikonokat, trendeket, hisztogramot és akár táblázatokat is tartalmazhat. A rendszer korlátlan skálázhatósága lehetővé teszi új változótípusok és komponensek kifejlesztését. A technológiai mérési helyek felsorolását, a mérendő paramétereket és az egyes méréshatárokat mutatja be a következő táblázat (2. táblázat). A kísérleti terv és a technológia előzetes felmérése alapján meghatározásra kerültek az alapanyag, végtermék és technológiai mosó víz mintavételi helyek. A mintavétel menetét és rendjét külön szabályoztuk. A mérési pontok és a mintavételi helyek azonosítása a következő ábra alapján könnyen áttekinthetők (3. ábra). A kísérleti terv alapján az üzemi működés figyelembevételével a különböző alapanyagok vizsgálatának adatait rögzítettük. A technológia főbb paramétereit, a dátumot, az alapanyag megnevezését, alapanyag mintavételének idejét, a folyamat kezdetének és végének időpontját, a gáz- és olajképződés kezdetének és végének időpontját, a technológia maximális hőmérséklet értékét, a maximális nyomás értéket, a környezeti t táblázatos formában összegeztük. A táblázatban feltüntetésre került a felhasznált energia jellegű mennyiségek összege, az alapanyag- és késztermék mintavételének időpontja, mintavétel helye, mintavételi hőmérséklet és egyéb jellemző értékei. (A táblázatot terjedelmi okokból nem közöljük.) 4
A hulladékgazdálkodás legújabb fejlesztési lehetőségei 2. táblázat. Mérési helyek, mérendő paraméterek, méréshatárok azonosítása Tervjel Berendezés Mérendő Mérendő Mérés egység paraméter paraméter jellege LT080 Könnyűolaj-tartály Olajszint min / max szint L LT230 Hűtővíz tartály Hűtővíz szint min / max szint L PT012 Forgókemence Kilépő gáznyomás 0-100 mbar P PT041 Olaj/gáz szeparátor Belépő gáznyomás 0-100 mbar P PT061 Álló kondenzátor Belépő gáznyomás 0-100 mbar P PT100 Vízzár Tartálynyomás 0-100 mbar P PT102 Vízzár Gázkilépő nyomás 0-100 mbar P QT010 QT100 Gázveszély a forgókemencénél Gázveszély a gázmosónál Szénhidrogén mérő és gázveszély riasztó Szénhidrogén mérő és gázveszély riasztó Jelfeldolgozás/ digitális Jelfeldolgozás/ digitális TT012 Forgókemence Kilépő gáz 0-600 C T TT034 Cső kondenzátor Hűtővíz kilépő TT041 Olaj/gáz szeparátor Belépő gáz 50-500 C T TT044 Olaj/gáz szeparátor Hűtővíz kilépő TT061 Álló kondenzátor Belépő gáz 50-500 C T TT064 Álló kondenzátor Kilépő hűtővíz TT080 Könnyűolaj-tartály Olajhőmérséklet TT102 Vízzár Gázkilépő TT131 Porleválasztó Füstgáz belépő 100-800 C T TT132 Porleválasztó Füstgáz kilépő 100-800 T TT233 Hűtővíz tartály Hűtővíz Table 2. Measurement locations, measured parameters, measuring range A kutatási terv alapján és a kutatási célok elérése érdekében a mérési eszközöket több lépcsőben alkalmazzuk. A kísérleti mérésekhez 11 ponton történt hőmérsékletmérés, 5 helyen történt nyomásmérés, 2 helyen történt folyadékszint-mérés és 2 helyen történt szénhidrogénmérés. Elsődleges szempont volt a berendezés biztonságos, üzembiztos és stabil működése a kutatási mérések elvégzéséhez. Q Q 5
Alapkutatás fejlesztés a Szent István Egyetem Pirolízis Technológia Kutatóközpontjában Zárókonferencia Szarvas, 2015 G 2 G 1 Sz 1 M V O 2 O 1 3. ábra. Mérési és mintavételi helyek G 1 kilépő füstgáz; G 2 szintézisgáz; O 1 nehézolaj; O 2 könnyűolaj; MV gázmosó mosóvíz; Sz 1 visszamaradt pirolízis koksz Figure 3. Measuring and sampling points G 1 outgoing flue gas; G 2 synthesis gas; O 1 heawy oil; O 2 light oil; MV scrubber water; Sz 1 coke Eredmények és értékelésük A projekt a Mezőberényi Üzemben kísérleti terv alapján több különböző alapanyag felhasználásával vizsgálta az EE-MBPT/01 technológiában a termolízis folyamatot. Az üzembe bekerülő alapanyag többek között gumiabroncs, darabolt gumi, fanyesedék, műanyag PET-palack, műanyagipari hulladékok, biostabilizált települési szilárd hulladék és szénpor volt. A technológia kapacitást fél tonnás beadagolási mennyiségre állítottuk be. Minden esetben ismert az alapanyag eredete és származási helye. A beadagolást követően a rendszert lezárva, elkezdődött a felfűtési szakasz, mely a bent tartózkodó anyag tulajdonságainak függvényében folyamatosan időben változott. A technológia folyamán a gázképződés kezdete volt az egyik nevezetes pont, így ennek időpontját külön is rögzítettük. Az analitikai vizsgálatokhoz a mintavételt megbízott külső cég végezte. A mért értékek közvetlenül a kezelő személyzet kijelzőjén kerültek feltüntetésre. A kísérleti mérések folyamán a pontforrások légszennyezőanyag kibocsájtásának mérését akkreditált vizsgálólaboratórium végezte. A kutatási célok elérése érdekében a technológia szükségesnél több pontján mértük a pillanatnyi t, nyomás értékeket az idő függvényében. A mérési pontok számának növelésével a monitorozott rendszer egyes részegységei jobban, pontosabban és biztonságosabban üzemeltethetők. A hőmérséklet mérési pontok számának növelése elősegítette a technológia részegységek hatásfokának pontosabb meghatározását és a folyamat energetikai szempontú optimalizálását, melyek a termelékenységi mutatókat befolyásolják. A következő ábra a mért hőmérséklet adatok megjelenésének egy lehetséges itt most szerkesztett megjelenési formáját mutatja (4. ábra). 6
P [mbar] T [ o C] A hulladékgazdálkodás legújabb fejlesztési lehetőségei 550 500 450 400 350 TT131- Füstgáz porleválasztó Be TT012 - Reaktor Ki TT041 - Olaj/Gáz szeparátor Be TT061- Kondenzátor I. Be TT050 - Nehézolaj tartály 300 250 200 150 100 50 0 1 ciklus ideje 4. ábra. Termolízis hőmérséklet értékek egy lehetséges ciklus alatt Figure 4. Thermolysis temperatures during a hypothetic cycle A technológiai folyamat valós idejű elemzése során a hőmérséklet és nyomás értékek egyidejű megjelenítése volt szükséges ahhoz, hogy az összefüggő technológiai paramétereket vizsgálni lehessen. A következő 5. ábra a teljes technológiai folyamat ideje alatt mért nyomás értékek egy lehetséges itt most szerkesztett megjelenési formáját mutatja. 80 70 60 50 PT012- reaktor Ki PT041- Olaj/Gáz szeparátor Be PT061- Kondenzátor I. Be PT050- Nehézolaj tartály 40 30 20 10 0 1 ciklus ideje 5. ábra. Termolízis nyomás értékek egy lehetséges ciklus alatt Figure 5. Thermolysis pressure values during a hypothetic cycle 7
Alapkutatás fejlesztés a Szent István Egyetem Pirolízis Technológia Kutatóközpontjában Zárókonferencia Szarvas, 2015 Következtetések A projektben kitűzött célok az Environ-Energie Kft. bevonásával megvalósultak. A Mezőberényi EE-MBPT/01 üzem a napi 3 tonna névleges kapacitásával referenciaként szolgál és alkalmas különféle hulladékok/alapanyagok szakaszos üzemű termolítikus újrahasznosítására, megfelelve mind a hulladékgazdálkodási, mind a környezet-védelmi szempontoknak. Azon hulladékok tekintetében, amelyeket egyébként csak tárolnánk, vagy eredménytelenül megsemmisítenénk, a technológia környezetbarát alternatívát tud képviselni a feldolgozásban. A kapott termékek vegyipari alapanyagként, illetve energiahordozóként egyaránt felhasználhatók, illeszkedve az EU hulladék-hasznosítási elképzeléseihez. A berendezés szabályozható módon, kontroláltan és üzembiztosan működik a folyamatirányítási és megjelenítő rendszer segítségével. A folyamatos nyomon követésnek köszönhetően a technológia minden pillanata akár távoli felügyelet mellett is kézben tartható. A mért és tárolt adatok azonnal, akár valós időben is megjeleníthetőek a kezelőfelületen. Az üzem és az infrastruktúra alkalmas összehasonlító vizsgálatok lefolytatására és a folyamat dokumentált nyomon követésére. Összefoglalás Az Environ-Energie Kft. Mezőberényi üzeme alkalmas félüzemi és üzemi kísérletek irányított körülmények közötti megfigyelésére is, tanulmányozására és a mérési adatok összegyűjtésére. Az üzem konzorciumi háttérrel tesztüzemi körülmények közötti működtetése, és az eredmények elemzése során a kutatók betekintést nyerhettek a termolízis folyamat részleteibe. A projekt általi mérési eredmények referenciaként szolgálnak, hogy az egyes vizsgált alapanyagokból üzemi körülmények között milyen minőségű késztermék keletkezik, valamint az üzemek légszennyezőanyag kibocsátása hogyan tud megfelelni a hazai jogszabályi előírásoknak. A kutató csoport a meglévő üzemi modell körülmények alapján létrejött objektív vizsgálati eredmények és tapasztalatok felhasználásával képes elemezni és értékelni a későbbiek során egy-egy hasonló rendszerű üzem mérési eredményeit. Kulcsszavak: termolízis, pirolízis, hulladék újrahasznosítás, másodlagos nyersanyagok, hulladékból nyert energia Köszönetnyilvánítás Ezúton fejezzük ki köszönetünket az ENVIRON-ENERGIE Energetikai Fejlesztő és Beruházó Kft. minden munkatársának. (ENVIRON-ENERGIE Kft. EE-MBPT/01 technológia) 8
A hulladékgazdálkodás legújabb fejlesztési lehetőségei Irodalom Duray B., Csengeri E., Egri Z. (2013): "Zöld területfejlesztés" - egy pirolízis alapú vidékfejlesztési modell lehetőségeinek feltárása [In: Buday-Sántha Attila, Danka Sándor, Komlósi Éva (szerk.) Régiók fejlesztése 2013/2: TÁMOP-4.2.1B-10/2KONV-2010-0002 Projekt kutatászáró konferencia Pécs, 2013. május 23-24. 364 p.] Pécsi Tudományegyetem Közgazdaságtudományi Kar, pp. 25-32. 2. kötet. (ISBN: 978-963-642-530-2) Gulyás M., Fuchs M., Rétháti G., Holes A., Varga Zs., Kocsis I., Füleki Gy. (2014): Szilárd pirolízis melléktermékekkel kezelt talaj vizsgálata tenyészedényes modellkísérletben, AGROKÉMIA ÉS TALAJTAN 63, pp. 341-352. Korzenszky P. Puskás J. Mozsgai K., Lányi K., Mák Z. (2014): Innovation possibilities of a thermolysis plant to be established in Hungary [In: Marianne Bell (szerk.) 20th International Symposium on Analytical & Applied Pyrolysis: Pyro2014.] Birmingham, 2014.05.19-2014.05.23. Paper B143. Lányi K., Molnár E., Vanó I., Korzenszky P. (2013): Looking behind the process of pyrolysis in waste management: questions on the composition and quality of end-product and their answers by means of analytical chemistry [In: Magó László, Kurják Zoltán, Szabó István (szerk.) Synergy 2013 - CD of Full Papers: 3rd International Conference of CIGR Hungarian National Committee and Szent István University, Faculty of Mechanical Engineering & 36th R&D Conference of Hungarian Academy of Sciences, Committee of Agricultural and Biosystem Engineering, Engineering, Agriculture, Waste Management and Green Industry Innovation.] Gödöllő, SZIE Gépészmérnöki Kar, 2013. Paper P10-3. (ISBN: 978-963-269 359-0) Vágó I., Czinkota I., Simándi P., Rácz I., Tolner L., (2013): Analysis of Pyrolysis Residues' UV-VIS Spectrums In: International Symposia "Risk Factors for Environment and Food Safety": Natural Resources and Sustainable Development., Oradea, Románia, 2013.11.08-2013.11.09. Anale Universitatii din Oradea, Fascicula Protectia Mediului 21 pp. 765-773. Thermolysis pilot plant results in Hungary Abstract In this paper, we give an account of difficulties and experiences arose during testing the Environ Energie s EE-MBPT/01 technology in Mezőberény thermolysis plant in Hungary. The aim of the project is to test existing industrial use such technologies in Hungary and establish database for comparison analysis of similar plants later on. The technology of Environ-Energie Inc. is a low temperature (450 C) thermolysis equipment. It is a nonseries industrial equipment that was designed, manufactured and installed for 3 tons/day capacity and provided for research and temporary use to process various starting materials. The composition of processed products is monitored continuously. The end products are stored and utilised by their physical and chemical properties separately. During the operation the system is under continuous control. Particular physical and chemical parameters as well as the main parameters of the thermolytic process, such as temperature and pressure values are measured and registered at several points. The pilot equipment is capable of neutralizing various base materials (i.e. wastes) by thermolytic degradation. Keywords: termolizis, pyrolysis, waste recycling, secondary raw materials, energy from waste 9