A Pirolízis Tudásközpont tapasztalatai a hőbontásos technológiák környezeti hatásaival kapcsolatban Dr. Futó Zoltán
A pirolízis vizsgálatok fő témakörei Analitikai vizsgálatok Gazdaságossági vizsgálatok Mezőgazdasági hasznosíthatóság Kísérleti üzemi vizsgálatok Társadalmi hatásvizsgálatok Kutatási projektünk keretében a Szent István Egyetem kísérleti pirolízis üzemében nyolc különböző hulladékfajta termikus bontása során került követtük nyomon a keletkező pirolízis végtermékek összetételét.
A gázemisszió mintavétel helye a SZIE kísérleti pirolízis üzemében A mintavételt és a gázminták elemzését biztosítandó a teljesen független adatokat a Bálint Analitika Kft. (NAT akkreditáció NAT-1-1666-2011) szakemberei végezték
A vizsgált alapanyagok A Szent István Egyetem kísérleti pirolízis üzemében a következő hulladékok termolitikus bontása történt meg 2014. júniusa és augusztusa között: (autó)gumi fanyesedék (biomassza) PET palackok gumi granulátum ipari műanyag hulladékok vegyes műanyagok települési szilárd hulladék szén
A pirolízisgázban mért értékek elemzése Az összes szerves szén (total organic carbon; TOC) tartalom vizsgálata alapján elmondható, hogy a három féle műanyag hulladék meglehetősen vegyes képet mutatott: míg a vegyes műanyag hulladék esetében volt tapasztalható a legmagasabb TOC érték, addig a PET kifejezetten alacsony, az ipari alapanyag műanyag hulladék pedig gyakorlatilag elhanyagolható összes szerves szén terhelést produkált.
A pirolízisgázban mért értékek elemzése A két gumi hulladék viselkedése is eltért: a granulált gumi kiugróan magas TOC értékkel bírt a gázban, általános gumi hulladék átlagossal. Említést érdemel még a biostabilizált települési szilárd hulladék kiugróan magas gáz-toc értéke, ami rávilágít a szelektálatlan, vegyes hulladékok jelentette problémákra a hulladékkezelés során
Az elsődleges légszennyezők (szén-dioxid, nitrogén-oxidok, szén-monoxid) terén a kép kizárólag a kémiai, toxikológiai és környezeti sajátosságai miatt kiemelt figyelmet érdemlő, vegyipari továbbhasznosítás szempontjából is lényeges szénmonoxid esetében mutat változatosságot a bevitt alapanyagtól függően; a másik két légszennyező esetében a terhelés nagyjából homogén, és messze elmarad a szén-monoxid szintjétől
A pirolízisgáz továbbhasznosíthatóságában komoly környezet-egészségügyi vonzatokkal bír az átlag szilárd anyag (por) koncentrációja a gázban. Nem meglepő módon ezen a téren a szénpor mutatta a legmagasabb értéket, amit a fanyesedék követett. A legkisebb szilárd anyag koncentrációt a PET műanyag hulladék pirolízise során lehetett tapasztalni; jószerivel ez az egyetlen paraméter, ami terén a PET pozitívabb értékeket mutat, mint a többi hulladék
A telített és telítetlen légnemű szénhidrogének (metán, etán, etén, propán, propén) a két gumi hulladék esetén mutatott magasabb arányokat, és meglehetősen hasonló értéket Úgy tűnik, hogy ezen vegyületek keletkezése nem függ össze szorosan a granuláltsági fokkal. A biostabilizált települési szilárd hulladék szintén odafigyelésre érdemes mennyiséget produkált ezekből az anyagokból a pirolízis során, valamint figyelmet érdemel még a szénporból keletkezett kimutatható mennyiségű metán, ami jól jellemzi a pirolitikus térben uralkodó reduktív viszonyokat.
Ahogy azt számos más kutatás is igazolta már, a kéntartalom döntően befolyásolja bármely pirolízis termék további felhasználhatóságát, és így a teljes pirolízis folyamat technológiai és gazdaságossági fenntarthatóságát is. A pirolízisgázban a kén - a reduktív kémiai környezet miatt elsősorban kénhidrogén formájában jelenhet meg. A két gumi alapanyag meglehetősen magas kénhidrogén koncentrációkat eredményezett, ami ismerve a ma használatos gumik általános összetételét nem volt feltétlen meglepő. Szintén a várakozásoknak megfelelő volt a szénpor pirolíziséből származó pirolízisgáz komolyabb kénhidrogén koncentrációja, hisz az ásványi szenek kéntartalma számos más vegyipari és energetikai folyamatban is megoldandó problémát jelent.
Az úgynevezett BTEX-vegyületek: benzol, toluol, etil-benzol és xilolok a továbbhasznosíthatóság szempontjából nem, a környezeti terhelés és a környezet-egészségügyi vonatkozások tekintetében viszont annál nagyobb jelentőséggel bírnak. Az általunk vizsgált nyolcféle hulladék pirolízise során ezen vegyületek terén is meglehetősen vegyes volt a kép. A benzol jószerivel valamennyi hulladékfajtánál megjelent a pirolízisgázban, koncentrációja a PET esetén volt kiugró. A toluol jóval kisebb mennyiségben volt jelen, etil-benzol pedig jószerivel alig volt kimutatható. A xilolok koncentrációja a legtöbb hulladék esetében a kimutatási határ alatt maradt, kivéve a PET és a fanyesedék hulladékokat. Ez utóbbi esetében a xilolok voltak a fő BTEX vegyületek a gázban, ami mindenféleképpen meglepő ténynek minősül.
Aldehidek Az általunk vizsgált csoportból az acetaldehid dominált, ami a biostabilizált települési szilárd hulladék, a vegyes műanyag, a granulált gumi és a PET műanyag hulladékok esetén volt méréshatár felett kimutatható; a két utóbbi esetében az átlag feletti koncentrációkban. A másik három aldehid mennyisége nem volt számottevő egyik hulladék-típus pirolízise során sem a pirolízisgázban, az esetek többségében kimutatási határ alatt is maradt.
A pirolízis olajban mért értékek elemzése Fűtőérték A pirolízis végtermékek felhasználásában döntő jelentőségű lehet a fűtőértékük ismerete. Kiemelten igaz ez a pirolízis olajokra, amelyek leggyakoribb és legígéretesebb felhasználási területe a másodlagos üzemanyag, illetve fűtőanyagként való hasznosítás.
A pirolízis olaj nitrogén tartalma a nem teljesen lebomlott, élő szerves anyag eredetű összetevőkre utal. Bármely célú felhasználás esetén célnak kellene lennie ezen érték minél alacsonyabban, lehetőleg nulla közelében tartása. A biostabilizált vegyes települési szilárd hulladék magas nitrogén tartalma a szelektivitás hiánya miatt nem meglepő; a szénporból, illetve a vegyes műanyag hulladékból keletkező pirolízis olaj esetében viszont további tisztázást kíván a mért nitrogén mennyiség értéke. A másik négy alapanyagból keletkező pirolízis olaj nitrogén tartalma elenyésző volt.
A pirolízis olajok összes szerves szén (total organic carbon; TOC) tartalom vizsgálata alapján elmondható, hogy a kétféle műanyag hulladék meglehetősen eltérő képet mutatott: a vegyes műanyag hulladék esetében volt tapasztalható a legmagasabb TOC érték, addig az ipari alapanyag műanyag hulladék pedig nagyon alacsony összes szerves szén terhelést produkált.
A pirolízis olajak klór- és kén-tartalma szintén meghatározó jelentőségű lehet a további felhasználás tekintetében, mivel ezen anyagok jelenléte felgyorsíthatja a technológiai elemek korrodálódását, és így a berendezés elhasználódását, valamint kedvezőtlen irányba tolhatják a technológia emissziós értékeit.
Az úgynevezett BTEX-vegyületek: benzol, toluol, etil-benzol és xilolok a továbbhasznosíthatóság szempontjából nem, a környezeti terhelés és a környezetegészségügyi vonatkozások tekintetében viszont annál nagyobb jelentőséggel bírnak. A szénporból, illetve a biostabilizált vegyes települési szilárd hulladékból keletkező pirolízis olajokban gyakorlatilag semmiféle BTEX vegyületet nem lehetett kimutatni, az ipari alapanyag műanyagnál is csak elenyésző mennyiségű benzol volt az olajban, semmi más. A fanyesedékből keletkezett olaj BTEX tartalma is nagyon alacsony volt, gyakorlatilag elhanyagolható a vegyes műanyaghoz, illetve a két gumi-alapanyaghoz képest. Bár a granulált gumiból keletkező olaj etil-benzol tartalma magasabb volt az autógumi pirolíziséből keletkező olajokénál, a másik három BTEX vegyületből ez utóbbi tartalmazott jóval többet.
Az elsődleges légszennyezőként nyilvántartott poliaromás szénhidrogének (polyaromatic hydrocarbons = PAH) egyértelműen a nemkívánatos szennyezések közé tartoznak, jelenlétük az ipari szabványokban előírt koncentrációk fölött nehezítheti, vagy akár teljességgel meg is akadályozhatja a pirolízis olaj üzemanyagként, illetve tüzelőanyagként való hasznosítását. A kísérleti pirolízis üzemünkben vizsgált alapanyagok közül a fanyesedék, az ipari alapanyag műanyag, illetve a biostabilizált települési vegyes szilárd hulladék esetében gyakorlatilag elhanyagolható volt a poliaromás szénhidrogének mennyisége a keletkező pirolízis olajban, és nagyon alacsony szinten maradt a szénpor esetében is. A vegyes műanyag, és a két gumi alapanyag (autógumi, gumi granulátum) esetében viszont kiugróan magas értékek születtek, különösen az összes naftalin-típusú poliaromás szénhidrogének terén.
A pirolízis kokszban mért értékek elemzése A pirolízis végtermékek felhasználásában döntő jelentőségű lehet a fűtőértékük ismerete. Nem mentesek ezen állítás igazsága alól a pirolízis kokszok sem, amelyek egyik fontos felhasználási területe éppen az erőművi égetés lehet. Fűtőérték szénpor biostabil - TSZH műanyag - vegyes gumi - granulált gumi - általános 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 MJ/kg
A pirolízis kokszok klór- és kén-tartalma szintén meghatározó jelentőségű lehet a további felhasználás tekintetében, mivel ezen anyagok jelenléte felgyorsíthatja a technológiai elemek korrodálódását, és így a berendezés elhasználódását, valamint kedvezőtlen irányba tolhatják a technológia emissziós értékeit. A vizsgált hulladékok esetében a biostabilizált települési vegyes szilárd hulladékból, illetve a vegyes műanyag alapanyagból keletkezett pirolízis koksz mutatott viszonylag magasabb klór-tartalmat A tapasztalt értékek ugyanakkor szintén rávilágítanak a szelektív hulladék-gyűjtés fontosságára: ezen, vegyes hulladékok esetében a keletkező végtermékek kémiai összetételének befolyásolására csak kevés eszköz van a szakemberek kezében. A vártnak megfelelően magas volt a két gumi-alapanyagból keletkezett pirolízis olaj kén-tartalma, és a szénpor végterméké is, és nem volt elhanyagolható a fanyesedékből keletkezett koksz kén-tartalma sem.
cm Mezőgazdasági hasznosíthatóság 35 Bioszén hatása a szudánifű magasságára 30 25 20 15 10 Kontroll 1%-os bekeverés 5%-os bekeverés 10%-os bekeverés 5 0 14 nap 21 nap 28 nap 37 nap 43 nap 50 nap 64 nap
Következtetések A szén-monoxid és a szén-dioxid szintje egyértelműen együtt mozog, bár a szén-dioxidból nyilvánvalóan kevesebb volt a reduktív kémiai környezet miatt az elegyben, mint a teljesen oxidált vegyületből. Hasonlóképpen együtt mozgott a kis szénatomszámú szénhidrogének (metán, etán, stb ) mennyisége is a pirolízisgázban. Bizonyos szerves anyagok (pl. az öt szénatomszámú telített szénvegyületek) jó prekurzornak tűnnek a teljes szerves szén-mennyiség (TOC) becsléséhez. A pirolízis olajok összetétel szintén komoly összefüggést mutatott a pirolizált hulladék összetételével, és így annak eredtével is. A szénporból, illetve a vegyes műanyag hulladékból keletkező pirolízis olaj esetében további tisztázást érdemelne a mért nitrogén mennyiség értéke. A vizsgált hulladékok esetében a biostabilizált települési vegyes szilárd hulladékból, illetve a vegyes műanyag alapanyagból keletkezett pirolízis koksz mutatott viszonylag magasabb klór-tartalmat. A tapasztalt értékek ugyanakkor szintén rávilágítanak a szelektív hulladék-gyűjtés fontosságára. A bioszén mezőgazdasági hasznosítása lehetséges, vannak a projekt eredményeként kedvező tapasztalatok, de az eredmények további pontosításához további kutatásokra van szükség.