Αεριοποίηση / Υαλοποίηση αποβλήτων με την τεχνική του πλάσματος

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελεί η διερεύνηση της καινοτόμου μεθόδου της αεριοποίησης / υαλοποίησης αποβλήτων με την τεχνική πλάσματος με ιδιαίτερη έμφαση στο χαρακτηρισμό των παραγόμενων προϊόντων (αερίου σύνθεσης και στερεού υαλοποιημένου υπολείμματος) και τη μελέτη της περιβαλλοντικής της απόδοσης και της δυνατότητας παραγωγής ενέργειας από τα απόβλητα με την αποτύπωση των σχετικών ισοζυγίων.

Στο θεωρητικό κομμάτι της παρούσας διδακτορικής διατριβής πραγματοποιείται εκτενής βιβλιογραφική ανασκόπηση των διαφόρων θερμικών μεθόδων για την επεξεργασία στερεών αποβλήτων.

Τα βασικά στάδια της μεθοδολογίας που ακολουθήθηκε για την υλοποίηση της διδακτορικής διατριβής περιελάμβαναν:

• Σειρά προκαταρκτικών δοκιμών για την εξαγωγή συμπερασμάτων αναφορικά με μια ευρεία σειρά παραμέτρων σχετικά με τη λειτουργία της επιδεικτικής μονάδας αεριοποίησης / υαλοποίησης

• Χαρακτηρισμό των αποβλήτων που χρησιμοποιήθηκαν για την τροφοδοσία της επιδεικτικής μονάδας αεριοποίησης / υαλοποίησης.

• Προσδιορισμό της σύστασης του παραγόμενου αερίου σύνθεσης (% σύστασης σε CO, CO2, H2 και CH4) Το βασικό συμπέρασμα που προκύπτει είναι ότι το παραγόμενο αέριο σύνθεσης χαρακτηρίζεται από υψηλό περιεχόμενο σε CO και H2 και, κατά συνέπεια, υψηλό ενεργειακό περιεχόμενο. Μελετάται επίσης η επίδραση διαφόρων παραμέτρων, όπως το περιεχόμενο των προς επεξεργασία αποβλήτων σε υγρασία και ανόργανα συστατικά, στη θερμογόνο δύναμη του παραγόμενου αερίου σύνθεσης.

• Αποτύπωση των ισοζυγίων μάζας και ενέργειας και εν κατακλείδι προσδιορισμό της ενέργειας που παράγεται και μπορεί να αξιοποιηθεί είτε ως ηλεκτρική ενέργεια, είτε ως θερμότητα. Αποτελεί ένα από τα βασικότερα στοιχεία της διδακτορικής διατριβής, μιας και αποτελεί καθοριστικό παράγοντα για την αξιολόγηση της βιωσιμότητας της συγκεκριμένης τεχνολογίας, αποτυπώνοντας τη δυνατότητα μετατροπής του περιεχομένου των αποβλήτων σε ηλεκτρική ενέργεια (ένα μέρος απαραίτητο για τις λειτουργικές ανάγκες του συστήματος και το υπόλοιπο διαθέσιμο προς εκμετάλλευση) και θερμότητα. Αναπτύχθηκε επίσης επιβοηθητικό υπολογιστικό εργαλείο για τον υπολογισμό της πυκνότητας του παραγόμενου αερίου σύνθεσης και του ενεργειακού του περιεχομένου ανά μονάδα όγκου και μάζας του με βάση την % κατά όγκο σύσταση του παραγόμενου αερίου σύνθεσης σε CO, H2, CO2 & CH4, όπως αυτή προσδιορίζεται πειραματικά.

• Προσδιορισμό των τελικών αέριων εκπομπών και σύγκρισή τους με τα αντίστοιχα όρια που τίθενται από την Κοινοτική και εθνική νομοθεσία Το συμπέρασμα που προκύπτει είναι ότι η περιβαλλοντική συμπεριφορά της λειτουργίας της πιλοτικής μονάδας αεριοποίησης / υαλοποίησης αναφορικά με τις αέριες εκπομπές είναι πράγματι ικανοποιητική, μιας και οι ρυπαντικοί παράμετροι των αέριων εκπομπών είναι σε πολύ κατώτερο επίπεδο σε σύγκριση με τα όρια που θέτει η Κοινοτική Οδηγία για την αποτέφρωση των αποβλήτων. Το συμπέρασμα αυτό είναι ιδιαίτερης σημασίας, αφού αποδεικνύει την περιβαλλοντική φιλικότητα και καθαρότητα της μεθόδου αναφορικά με τις αέριες εκπομπές, οι οποίες αποτελούν το κυριότερο αντικείμενο σκεπτικισμού της κοινής γνώμης για την εφαρμογή θερμικών μεθόδων επεξεργασίας για την επεξεργασία των απορριμμάτων.

Η τροποποίηση της πιλοτικής μονάδας αεριοποίησης / υαλοποίησης με την προσθήκη εναλλάκτη θερμότητας στο σημείο εξόδου των τελικών αέριων εκπομπών στην ατμόσφαιρα για την ψύξη των αέριων εκπομπών και την υγροποίηση σημαντικού μέρους των περιεχόμενων υδρατμών συνέβαλε στη μείωση των εκλυόμενων τελικών αερίων στην ατμόσφαιρα και την πρόσθετη ψυχολογική επιβεβαίωση στο δύσπιστο απλό πολίτη που δεν γνωρίζει ακριβώς τι συμβαίνει πως η μέθοδος της αεριοποίησης των απορριμμάτων αποτελεί μια περιβαλλοντικά φιλική επιλογή για τη διαχείριση των απορριμμάτων.

• Χαρακτηρισμό του παραγόμενου στερεού υαλοποιημένου υπολείμματος. Στο πλαίσιο της διδακτορικής διατριβής μελετήθηκαν:  H περιεχόμενη υγρασία στο υαλοποιημένο στερεό υπόλειμμα  το ολικό ποσοστό άνθρακα που περιέχεται στο στερεό υαλοποιημένο υπόλειμμα  το περιεχόμενο των υαλοποιημένων υπολειμμάτων σε μέταλλα  η εκχυλισιμότητα των μετάλλων από το στερεό υπόλειμμα με τη μέθοδο TCLP  η εκχυλισιμότητα των μετάλλων από το στερεό υπόλειμμα με μέσο εκχύλισης το Η2Ο.  Η επίδραση του τρόπου ψύξης του υαλοποιημένου υπολείμματος (με χρήση αέρα ή νερού) στις εκχυλιστικές ιδιότητές του  Η επίδραση του pH, της θερμοκρασίας, του χρόνου επαφής, της ανάδευσης και του μεγέθους κόκκων του στερεού υαλοποιημένου υπολείμματος στην εκχυλιστική συμπεριφορά διαφόρων μετάλλων  Η δομή του στερεού υαλοποιημένου υπολείμματος χρησιμοποιώντας SEM, XRD, XRF, EDX.

Σχεδόν το σύνολο του ανόργανου περιεχομένου των προς επεξεργασία αποβλήτων καταλήγει στο στερεό υαλοποιημένο υπόλειμμα, ενώ το σύνολο του περιεχόμενου C μεταπίπτει στην αέρια φάση (αέριο σύνθεσης). Βασικό συμπέρασμα που προκύπτει είναι ότι το παραγόμενο υαλοποιημένο υπόλειμμα είναι αδρανές και χαρακτηρίζεται από χαμηλή εκχυλισιμότητα των περιεχόμενων μετάλλων. Αυτό πιστοποιείται από τα αποτελέσματα και των δυο διαφορετικών καθιερωμένων δοκιμών που πραγματοποιήθηκαν για την εκτίμηση της εκχυλιστικής συμπεριφοράς του υαλοποιημένου υπολείμματος της διεργασίας της αεριοποίησης / υαλοποίησης (TCLP & Κοινοτική Απόφαση 33/2003). Σχεδιάστηκαν μακρά και λεπτομερή πειράματα προκειμένου να αναδειχθούν οι διαφοροποιήσεις στη συμπεριφορά των διαφόρων μετάλλων κάτω από διάφορες συνθήκες pH, μεγέθους σωματιδίων, θερμοκρασίας και συνθηκών ανάδευσης. Ένα βασικό συμπέρασμα είναι ότι το υδρόψυκτο στερεό υπόλοιπο εμφανίζει μάλιστα ακόμα πιο χαμηλές τιμές εκχυλισιμότητας σε σχέση με το αερόψυκτο.

Γενικά, η ολοκλήρωση του εκτεταμένου πειραματικού σκέλους της διδακτορικής διατριβής οδηγεί στο συμπέρασμα ότι η χρήση της τεχνολογίας αυτής είναι αποτελεσματική και ευέλικτη, δεδομένου ότι μπορεί να εφαρμοσθεί για την επεξεργασία πλήθους ρευμάτων αποβλήτων. Δεν αποτελεί μόνο μια διεργασία φιλική προς το περιβάλλον αλλά και έναν τρόπο κάλυψης ενεργειακών αναγκών. Το παραγόμενο αέριο σύνθεσης δύναται να αξιοποιηθεί με την παραγωγή χημικών προϊόντων & καυσίμων, την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε κελιά καυσίμου και κατά κύριο λόγο με χρήση ως καύσιμο σε θερμικές μηχανές και ατμοστρόβιλους για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, θερμότητας και ατμού.

The main objective of this PhD is the investigation of the innovative method of plasma gasification / vitrification of waste with emphasis on the characterization of the process products (synthesis gas and solid vitrified residue) and the study of the environmental performance and the capability to produce energy from waste by determining the relevant balances.

A thorough bibliographical review of the different thermal methods for the treatment of solid waste takes place in the theoretical part of the PhD.

The basic phases of the methodology that was followed for the completion of this PhD include:

• Series of preliminary tests for the extraction of conclusions on the effect of a wide range of parameters related to the operation of the demonstration gasification / vitrification unit.

• Characterization of the waste that was treated in the demonstration / gasification / vitrification unit.

• Determination of the composition of the produced synthesis gas (% content in CO, CO2, H2 και CH4) The basic conclusion that is made is that the produced synthesis gas is characterized by high content in CO and H2 and, therefore, high energy content. The influence of certain parameters, such as the humidity and inorganic content of the waste to be treated in the demonstration gasification / vitrification unit, to the calorific value of the produced synthesis gas is also investigated.

• Determination of the mass and energy balances and consequently the energy that is produced and can be utilized as either electrical energy or heat. This constitutes one of the most basic steps of this PhD, since the relevant data constitute major factor for the assessment of the viability of plasma technology for the treatment of waste, determining the capability to convert the waste content in electrical energy (one part is necessary for covering the operation needs of the plasma system and the rest is available for exploitation and sale) and heat. A useful calculation tool for the determination of the density of the produced synthesis gas and its energy content per volume and weight unit was also developed on the basis of the % v/v composition of the synthesis gas in CO, H2, CO2 & CH4, which is experimentally determined.

• Determination of the final air emissions and comparison with the limits set by the relevant EC and national legislative framework The experimental results show that the environmental behavior of the demonstration gasification / vitrification unit in relation to the final air emissions is very satisfying, seeing that the polluting parameters of the air emissions are well below the limits set by the EC Directive 2000/76 on the incineration of waste. This conclusion is of significant value, since it proves that the technology under investigation is environmentally friendly in relation to the air emissions, which constitute the main field of skepticism of public opinion towards the application of thermal methods for waste treatment.

The modification of the demonstration plasma gasification / vitrification unit with the addition of heat exchanger at the exit point of the final air emissions to the atmosphere for cooling air emissions and converting main part of the included water vapors to liquid contributed to the reduction of the emitted to the atmosphere gases and the additional psychological confirmation to the simple citizen that is not aware of what exactly is going on that the gasification of waste constitutes an environmentally friendly option for solid waste management.

• Characterization of the produced solid vitrified residue. In the framework of the implementation of this PhD, the following were studied:  the humidity content of the vitrified solid residue  the total carbon percentage that is included in the produced slag  the content of the vitrified slag residues in metals  the leachability of metals from the solid vitrified slag via TCLP  the leachability of metals from the solid vitrified slag using water as leaching medium.  the influence of the cooling method used for the vitrified slag residue (via the use of air or water) to its leaching properties  the influence of the pH, temperature, contact time, stirring conditions and the size of the particles of the solid vitrified residue to the leaching behavior of different metals  the structure of the solid vitrified residue by using SEM, XRD, XRF and EDX.

Almost the total sum of the inorganic content of the waste used as feedstock in the demonstration gasification / vitrification unit ends up at the solid vitrified residue, while the total carbon content is converted in the gas phase. The fact that the produced vitrified residue is inert and is characterized by low leaching properties constitutes main experimental outcome. This is based on the results of two different well used tests that were performed for the assessment of the leaching properties of the slag generated within the gasification / vitrification process (TCLP & European Decision 33/2003). Long and detailed experimental series were designed and performed in order to study the behavior of different metals included within the slag under different conditions of pH, particle size, temperature and stirring conditions. The water-cooled slag presents higher resistance in metal leaching in relation to the air-cooled slag.

In general, the completion of the extended experimental part of the PhD leads to the conclusion that the use of this technology is effective and flexible, since it is effective and can be applied for the treatment of a variety of waste streams. The process was found to be environmentally friendly, but also a way to cover part of the energy demands. The produced synthesis gas can be utilized by producing chemical products and fuels, the production of electrical energy in fuel cells and mainly by using it as fuel in thermal engines and steam turbine for the production of electrical energy, heat and steam.