Małe instalacje termicznego przekształcania odpadów

Wobec wyzwań „circular economy” – gospodarki obiegu zamkniętego (GOZ) pojawia się jednak pytanie o zasadność budowy kolejnych. Organizacje ekologiczne mówią już o nadmiarze mocy przerobowych polskich spalarni i próbują nie dopuścić do budowy kolejnych. W ich wizji świata, określonej jako „zero waste” praktycznie nie ma miejsca na spalarnie. Wizja ta jednak nie ma wiele wspólnego z rzeczywistością i jak pokazują doświadczenia innych krajów Unii Europejskiej – można osiągnąć cele „circular economy” (65% udział recyklingu i metod biologicznych przy składowaniu poniżej 10%) spalając odpady.

Najlepszym przykładem są tu Niemcy, gdzie już dziś cele „circular economy” zostały osiągnięte. Udział recyklingu i metod biologicznych wynosi ok. 66% przy składowaniu poniżej 1%. Jednocześnie w Niemczech funkcjonuje aktualnie 121 spalarni odpadów o łącznej wydajności ok. 26 mln Mg/r. (35 spalarni frakcji palnej wydzielonej z odpadów komunalnych – tzw. RDF-u, w Niemczech zwanego EBS, o wydajności ok. 5 mln Mg/r. oraz 86 spalarni odpadów zmieszanych o wydajności ok. 21 mln Mg/r.). Udział spalania wynosi ok. 33-34%.

W Polsce funkcjonuje aktualnie 157 instalacji mechaniczno-biologicznego przetwarzania odpadów komunalnych (MBP) o łącznej wydajności ok. 10,8 mln Mg/r. Według oficjalnych danych (GUS) w naszym kraju rocznie produkujemy ok. 12 mln Mg/r. odpadów komunalnych (dane za 2017 r.), z czego 26,7% podlega recyklingowi, 7,1% obróbce biologicznej, 24,4% jest termicznie przekształcanych, zaś 41,8% składowanych. Około 27% odpadów komunalnych jest zbieranych selektywnie. W instalacjach MBP wytwarzany jest corocznie ok. 3-3,5 mln Mg frakcji palnej (nadsitowej), zwanej umownie RDF lub pre-RDF. Praktycznie wszystkie istniejące spalarnie odpadów komunalnych w Polsce spalają zarówno zmieszane odpady komunalne (kod 20 03 01), jak i RDF (kod 19 12 12). Udział RDF wynosi średnio ok. 40%. Wyjątkiem jest instalacja w Poznaniu, do której miasto dostarcza jedynie zmieszane odpady komunalne. Według szacunków, ok. 0,5-0,8 mln Mg RDF rocznie jest wykorzystywane do produkcji paliwa alternatywnego (kod 19 12 10), dla cementowni. W efekcie pozostaje ok. 1,5-2 mln Mg/r. RDF, które to paliwo jest „tymczasowo magazynowane” i „nieoczekiwanie” ulega zapłonowi. W 2017 r. takich pożarów było ponad 130, w pierwszej połowie 2018 r. ponad 80. Odpady te płoną, bo brak jest legalnej możliwości ich wykorzystania. W tej sytuacji, niezależnie od negatywnej opinii organizacji ekologicznych, konieczna jest budowa jeszcze co najmniej kilku lub kilkunastu instalacji termicznego przekształcania, by ten problem rozwiązać. Biorąc pod uwagę sytuację na rynku powinny być to instalacje przystosowane do spalania frakcji nadsitowej pochodzącej z instalacji MBP, czyli tzw. RDF-u (19 12 12).

Ponad 30 takich instalacji zostało przewidzianych do wybudowania w wojewódzkich planach gospodarki odpadami (WPGO). Na przeszkodzie budowy nowych spalarni stoi jednak zapis z Krajowego Panu Gospodarki Odpadami (KPGO) mówiący o obligatoryjnym ograniczeniu udziału spalania odpadów komunalnych do 30% w każdym województwie. Uderza on przede wszystkim w województwa, w których istnieją cementownie, gdyż w WPGO przyjęto, że powstający RDF może być i faktycznie jest w 100% spalany w cementowniach. W rzeczywistości tylko część wytworzonego w instalacjach MBP RDF-u może być wykorzystana w cementowniach. Obecnie, gdy stopień zastąpienia paliw kopalnych paliwem alternatywnym jest rzędu 60-80%, cementownie przyjmują jedynie paliwo alternatywne o wartości opałowej powyżej 20 MJ/kg. RDF z instalacji MBP ma najczęściej wartość opałową rzędu 10-12 MJ/kg, sporadycznie do 16 MJ/kg. Jest to za mało i aby wytworzyć paliwo alternatywne dla cementowni o oczekiwanej wartości opałowej trzeba dołożyć tworzyw sztucznych lub gumy (opon samochodowych), aby uzyskać satysfakcjonującą cementownie wartość opałową paliwa. W efekcie jedynie maksymalnie ok. 2/3 masy paliwa alternatywnego dostarczonego do cementowni (a jest to ok. 1,5 mln Mg) stanowi RDF.

Kolejną barierą jest sposób liczenia. W bilansowaniu odpadów komunalnych w skali województwa, czy też w skali kraju korzystamy z opracowania dr Szpadta (Prognoza zmian w zakresie gospodarki odpadami) z 2010 r. Zawarte tam analizy i obliczenia oparte są o dane dotyczące ilości, morfologii i właściwości palnych odpadów komunalnych z 2008 r. ktualnie, czyli ponad 10 lat później są one całkowicie nieaktualne. Trudno uznać również za prawdziwą, niezmieniającą się od lat ilość powstających w Polsce odpadów komunalnych na poziomie ok. 12 mln Mg/r. Przy aktualnym poziomie dochodu narodowego na mieszkańca w Polsce (ok. 15 000 €) w rzeczywistości odpadów komunalnych powinno być o ok. 3-4 mln Mg rocznie więcej. I pewnie tyle jest, jeżeli do oficjalnych 12 mln Mg doliczymy ok. 1-1,5 mln Mg spalonych w piecach domowych i ok. 2-2,5 mln Mg nielegalnie zdeponowanych w lasach. Ustawianie bariery 30%, choć z punktu widzenia GOZ wydaje się ona racjonalna, przy niepewności danych wejściowych (ilość, skład morfologiczny odpadów) powoduje znany wszystkim efekt – co innego mamy na papierze (w wyniku obliczeń), a co innego jest w rzeczywistości. Potwierdzeniem tego stanu rzeczy jest te ok. 1,5-2 mln Mg/r. RDF – „tymczasowo magazynowane”. Sprawą niezmiernie ważną jest więc rozwiązanie tego problemu.

Nie ulega więc wątpliwości, że potrzebne są moce przerobowe dla zagospodarowania (termicznego przekształcenia, najlepiej spalenia) ok. 1,5-2 mln Mg RDF-u pochodzącego corocznie z funkcjonujących instalacji MBP. Analizując przyjęte WPGO łatwo można zauważyć, że przewidziano w nich potrzebę wybudowania aż 38 instalacji o wydajności ok. 2 260 000 Mg/r. Są wśród nich wspominane wcześniej instalacje w Gdańsku (160 000 Mg/r.), Olsztynie (110 000 Mg/r.), Warszawie (265 000 Mg/r.), Oświęcimiu (150 000 Mg/r.), druga linia instalacji w Rzeszowie (80 000 Mg/r.), a także kocioł wielopaliwowy Fortum w Zabrzu (70 000 Mg/r.) i procedowana aktualnie instalacja w Chodzieży (100 000 Mg/r.), czyli sumarycznie 7 instalacji o łącznej wydajności ok. 935 000 Mg/r. Pozostaje więc jeszcze 0,5-1,0 mln Mg RDF rocznie do zagospodarowania. Wśród propozycji zapisanych w WPGO są to przeważnie instalacje o wydajności od 10 000 do 40 000 Mg/r. (1,5-6,5 Mg/h). Ich budowa powinna pozwolić na pełne zbilansowania potrzeb kraju na spalanie odpadów, dokładniej RDF-u powstającego w instalacjach MBP.

Do tej pory, wzorem Niemiec przyjmowano, że najmniejsza opłacalna instalacja termicznego przekształcania odpadów powinna mieć wydajność minimum 100 000 Mg/r. Jednakże wg raportów ISWA oraz Instytutu Fraunhofera można zauważyć, że w latach 2000-2010 oddano do użytku w Europie co najmniej 12 instalacji o liniach o wydajności mniejszej niż 7 Mg/h z jednej linii (52 500 Mg/r.). Są to np.: Blois (Francja) – 90 000 Mg/r. (2×5,5 Mg/h), Guichainville (Francja) – 90 000 Mg/r. (2×5,6 Mg/h), Maubeuge (Francja) – 45 000 Mg/r (5,5 Mg/h), Villefranche sur Saone (Francja) – 90 000 Mg/r. (6,5+4,5 Mg/h), Forli (Włochy) – 65 000 Mg/r. (2×4,2 Mg/h), Livorno (Włochy) – 42 000 Mg/r. (2×2,75 Mg/h), Ospedaletto Włochy) – 66 000 Mg/r. (2×4,3 Mg/h), Pietrasanta (Włochy) 60 000 Mg/r. (2×3,75 Mg/h), Ravenna (Włochy) – 50 000 Mg/r. (6,5 Mg/h), Reggio Emilia (Włochy) – 65 000 Mg/r. (2×4,2 Mg/h), Stoke (Wielka Brytania) 25 000 Mg/r. (3,5 Mg/h), Newport – Isle of Wight (Wielka Brytania) 30 000 Mg/r. (4 Mg/h). W większości krajów europejskich funkcjonują spalarnie o wydajnościach poniżej 50 000 Mg/r. – są takie instalacje w Wielkiej Brytanii, Francji, Hiszpanii, Danii, Norwegii, Szwecji oraz we Włoszech, a nawet w Niemczech funkcjonują 3 instalacje o wydajności 40 000-50 000 Mg/r. Czy istnieją więc jakiekolwiek przeciwwskazania by instalacje tej wielkości powstały w Polsce?

W przeważającej większości są to instalacje rusztowe, ale są także instalacje fluidalne, komorowe (technologia ENERGOS), czy wyposażone w piec oscylacyjny (technologia TIRU-Cyclerval). Nie ma wśród funkcjonujących instalacji technologii pirolizy, zgazowania, czy też instalacji plazmowych. Wszystkie wypomniane instalacje już kilka lat pracują, są sprawne technicznie i efektywne zarówno energetycznie, jak i ekonomicznie.

Technologia rusztowa znana jest od początku przemysłowego spalania odpadów. Początkowo stosowano ruszty stałe, od lat 20. ub. w. ruszty mechaniczne. Konstrukcje rusztów zmieniały się na przestrzeni lat, uzyskując coraz wyższą niezawodność i umożliwiając coraz lepsze prowadzenie procesu spalania. Ruszt mechaniczny stosowany w spalarniach odpadów w sposób diametralny różni się od rusztów mechanicznych stosowanych w małych kotłach energetycznych. Najczęściej jest to ruszt pochyły, posuwisto-zwrotny zapewniający oprócz transportu odpadów przez strefę spalania intensywne ich mieszanie i napowietrzanie, co umożliwia znaczące zmniejszenie tzw. Niedopałów (substancji palnych zawartych w żużlu i popiele). W latach 60. Tanner, a następnie Reinmann oszacowali minimalne warunki (wartość opałowa, zawartość popiołu i wilgoci) jakim powinny odpowiadać odpady komunalne, aby mogły się autotermicznie (bez dodatku paliwa pomocniczego) spalać na ruszcie. Jako warunek minimum ustalono wartość opałową na poziomie ok. 5 MJ/kg, przyjmując dla bezpieczeństwa, że minimalna wartość opałowa odpadów powinna wynosić 6 MJ/kg. Jak już wspomniano, konstrukcja rusztów, a także i całej spalarni odpadów ulega systematycznym zmianom i udoskonaleniom. Obecnie już istnieją rozwiązania techniczne pozwalające autotermicznie spalać odpady komunalne na ruszcie już od wartości opałowej ok. 4,5 MJ/kg. Systematycznym zmianom ulega również system oczyszczania spalin. W połowie lat 90. wydawało się, że standardem jest system oczyszczania spalin składający się z elektrofiltru, dwustopniowego mokrego systemu absorpcyjnego, węzła adsorpcji na węglu aktywnym i katalizatora do redukcji tlenków azotu oraz rozkładu dioksyn. Taki system oczyszczania spalin pozwalał na dotrzymanie najbardziej wówczas rygorystycznych regulacji zawartych w przepisach niemieckich (17 BImSchV) i kosztował ponad 50% kosztów budowy spalarni odpadów. Obecnie wiemy już, że podobne efekty, jeżeli chodzi o stopień oczyszczenia spalin można uzyskać stosując suchy system polegający na wtrysku reagenta wapniowego – CaO, Ca (OH)2, lub sodowego – NaHCO3, wtrysku pylistego węgla aktywnego, odpyleniu na filtrze tkaninowym oraz zastosowaniu niekatalitycznej selektywnej redukcji tlenków azotu (SNCR), polegającej na wprowadzeniu wody amoniakalnej lub roztworu mocznika do kotła w temperaturze 850-1050°C. System suchy stanowi dziś tylko ok. 30% kosztów budowy spalarni odpadów przy identycznej skuteczności oczyszczania spalin. Efekty postępu naukowo-technicznego widać w nowobudowanych spalarniach odpadów.

Technologia spalania w złożu fluidalnym w odniesieniu do odpadów komunalnych rozwinęła się w latach 90. ub. w. Można tu rozróżnić trzy odmiany tej technologii:

• instalacje ze stacjonarnym (pęcherzykowym) złożem fluidalnym (BFB),
• instalacje z cyrkulacyjnym złożem fluidalnym (CFB),
• instalacje z rotacyjnym złożem fluidalnym.

Kotły fluidalne nadają się do spalania paliw o zróżnicowanych właściwościach (w tym kaloryczności), dają się również regulować w szerokim zakresie wydajności. Szczególnie interesujące są tutaj kotły z cyrkulacyjnym złożem fluidalnym. Zaletą instalacji fluidalnych jest możliwość zastosowania suchego ograniczania emisji zanieczyszczeń kwaśnych poprzez dodanie reagenta bezpośrednio do komory spalania oraz stosunkowo niska temperatura spalania (ok. 850°C), co zmniejsza ilość powstających tlenków azotu (w mechanizmie termicznym). Ze względu na niższą niż na ruszcie temperaturę spalania zdarza się, że czasami instalacje fluidalne nie wymagają redukcji emisji tlenków azotu. Kotły fluidalne przeznaczone do spalania, bądź współspalania – różnią się konstrukcyjnie od kotłów przeznaczonych dla energetyki brakiem powierzchni ogrzewalnych w komorze spalania, ze względu na konieczność dotrzymania wymaganej temperatury i czasu przebywania spalin. Podstawową wadą instalacji fluidalnych jest konieczność rozdrabniania odpadów przed wprowadzaniem ich do procesu spalania, co wiąże się z kłopotami technicznymi oraz dodatkowym zużyciem energii. Nieco wyższe sprawności energetyczne spalania fluidalnego nie rekompensują w pełni tej straty. Generalnie przyjmuje się, że wydajność ok. 50 000 Mg/r. stanowi dolny zakres opłacalności budowy kotła fluidalnego do spalania odpadów. System oczyszczania spalin jest zazwyczaj identyczny jak w spalarni rusztowej.

Piec oscylacyjny to oryginalny pomysł francuskiej firmy Cyclerval, należącej dziś do Dalkii (Dalkia Wastenergy). W technologii tej piec obrotowy o kształcie walca połączonego ze stożkiem ściętym nie obraca się dookoła swojej osi, a jedynie wykonuje obrót o kąt 105°, najpierw w lewo, potem powrót do położenia zerowego i kolejny obrót – tym razem w prawo. Firma Cyclerval zbudowała kilkanaście tego typu instalacji we Francji oraz w Anglii (Grimsby, Exeter) o wydajnościach 2,0-11,3 Mg/h. Instalacje posiadają wydajny (suchy) system oczyszczania spalin i stanowią ciekawą alternatywę małych spalarni.

Przedstawicielem technologii komorowej jest brytyjsko-norweska firma ENERGOS. Instalacja spalająca składa się z dwóch komór. W pierwszej następuje spalanie odpadów przy obniżonej w stosunku do ilości stechiometrycznej ilości tlenu w temperaturze ok. 600-700°C. W drugiej natomiast następuje dopalanie powstałych gazów w nadmiarze powietrza, w wymaganej przez przepisy temperaturze powyżej 850°C. Rozwiązanie to jest znane z konstrukcji spalarni odpadów medycznych oraz innych niebezpiecznych. Proces zachodzący w pierwszej komorze często klasyfikowany jest jako zgazowanie – choć nie jest to do końca prawidłowe, gdyż w rzeczywistości w tej strefie mamy do czynienia z wieloma procesami – rozkładem termicznym, zgazowaniem i spalaniem (utlenianiem). Dla prawidłowego funkcjonowania instalacji i autotermiczności procesu wskazane jest ograniczenie dopływu powietrza do pierwszej komory. Firma Energos wybudowała dotychczas kilka tego typu instalacji o wydajnościach 10 000-80 000 Mg/r. System oczyszczania spalin jest półsuchy i w świetle dostępnych danych można uznać, że emisja jest zgodna z wymaganiami dyrektywy 2010/75/WE. Podobne rozwiązania oferuje duńska firma Weiss, która także proponuje małe instalacje do spalania odpadów komunalnych, przypominające nieco powiększoną wersję spalarni odpadów medycznych oferowanych kiedyś przez firmę HOVAL (z Lichtensteinu), czy bliźniaczą pod tym względem firmę ENTECH z Australii. Ich wydajność wynosi od 10 000 do 30 000 Mg/r.

Jak widać, istnieje co najmniej kilka możliwości technicznych wybudowania lokalnej instalacji termicznego przekształcania odpadów komunalnych, a tak właściwie frakcji palnej wydzielonej ze strumienia odpadów komunalnych w instalacjach MBP, czyli tzw. RDF-u. Instalacje takie powinny być instalacjami regionalnymi, funkcjonującymi w układzie lokalnych przedsiębiorstw energetyki cieplnej. Każda z opisanych powyżej technologii (rusztowa, fluidalna, komorowa, czy oscylacyjna) może zostać zastosowana. Każda jest wystarczająco dojrzała i posiada liczne funkcjonujące w Europie referencje. Zdecydowanie jednak należy unikach technologii prototypowych, opartych np. o pirolizę, zgazowanie, czy proces plazmowy. Wszystkie próby wdrożenia takich technologii zakończyły się w Europie niepowodzeniem. Nie ma obecnie funkcjonujących instalacji referencyjnych, stąd próba budowy takich instalacji obarczona będzie ogromnym ryzykiem. Od czasu do czasu pojawiają się oferenci nowych technologii, podobno funkcjonujących dobrze w USA lub w Kanadzie, jednak najczęściej technologie te istnieją jedynie na papierze lub w skali co najwyżej pilotowej („garażowej”). Doświadczenia budowy 7 oddanych do eksploatacji w ostatnich latach spalarni odpadów komunalnych w Polsce pokazują, że średni koszt budowy wynosi 2000-3000 zł za każdy Mg rocznej wydajności spalarni. Oznacza to, że spalarnia odpadów komunalnych o wydajności ok. 30 000 Mg/r. musi kosztować ok. 70-80 mln zł. Wszelkie tańsze oferty są po prostu niewiarygodne. Łatwo również policzyć, że 30 000 Mg/r. to ok. 12 MWt mocy cieplnej kotła, czyli równowartość znanego z polskiego ciepłownictwa kotła WR-10. Jak już podkreślono, spalanie RDF powinno odbywać się w układzie lokalnym, w miejskich przedsiębiorstwach ciepłowniczych. Nieporozumieniem jest natomiast próba skierowania strumienia RDF do energetyki zawodowej. Pojawiły się ostatnio pomysły budowy na terenie niektórych elektrowni układów opalanych RDF-em. Przykładowo Elektrownia Siersza planowała budowę 2 kotłów fluidalnych, które spalać będą ok. 480 000 Mg RDF rocznie, a także Elektrownia Połaniec, która planowała zastąpić istniejący blok energetyczny o mocy 200 MWe układem opalanym RDF-em (ok. 1,0 mln Mg/r.). Budowa takich instalacji wymagałby transportu RDF z wielu instalacji MBP, czasami odległych o kilkaset kilometrów, co czyni ten pomysł absolutnie nieopłacalnym.

Analizując sytuacje na rynku odpadów komunalnych w Polsce nie ulega wątpliwości, że istnieje konieczność budowy jeszcze co najmniej kilku instalacji termicznego przekształcania odpadów – spalarni spalających powstającą w instalacjach MBP frakcję kaloryczna (nadsitową), czyli inaczej RDF. Instalacje takie powinny powstać w oparciu i funkcjonujące przedsiębiorstwa energetyki cieplej i być włączone w lokalny system ciepłowniczy. Będą to nowe źródła ciepła zastępujące stare, wyeksploatowane i niespełniające warunków dyrektywy o emisjach przemysłowych (IED), dyrektywy o średnich obiektach spalania (MCPD), a także konkluzji BAT kotły węglowe. Jest to o tyle istotne, gdyż jedyną pewną i skuteczną metodą poprawy jakości powietrza w miastach i tym likwidacji smogu jest radykalna likwidacja niskiej emisji poprzez podłączenie centrum miast do miejskich z dala czynnych systemów ciepłowniczych.