Plazmové zplyňování odpadů - princip a využití

Plazmové zplyňování je vyspělá a k přírodě šetrná technologie likvidace odpadů. Pracuje na principu vysokoteplotní pyrolýzy, tj. při teplotách několik tisíc stupňů Celsia za nedostatku vzduchu se rozkládá odpad na základní jednoduché molekuly. Hlavním produktem, který je tímto procesem získáván, je tzv. syntetický plyn, který je dále energeticky využíván. V tomto článku bude vysvětlen princip plazmového zplyňování odpadů, vliv této technologie na životní prostředí, dále potom její využití v ČR i ve světě a ekonomie provozu zařízení zplyňujícího odpad.
 

Princip plazmového zplyňování

Vstupní surovinou pro plazmové zplyňování je odpad. Může se jednat o bioodpad, komunální odpad, kaly z čistíren odpadních vod nebo i nebezpečný odpad, se kterým si technologie rovněž dokáže poradit.

Odpad se nejprve musí upravit na požadované parametry, různé pro každý typ odpadu. Bioodpad a kaly z ČOV jsou nejprve vysoušeny. Pevný odpad je drcen, případně i granulován, čímž se vytvoří více homogenní směs, která usnadňuje manipulaci a umožňuje lepší regulaci přísunu odpadu do plazmového reaktoru.

Odpad je speciálním zařízením dávkován do prostoru plazmového reaktoru, kde se uskutečňují procesy zplyňování a vitrifikace.V reaktoru se nachází plazmový hořák, který se skládá z grafitových elektrod. Na elektrody je přiveden proud a vzniká mezi nimi oblouk, do kterého se pouští plazmový plyn (např. argon, dusík nebo vzduch). Nejčastěji používaný je díky své dostupnosti vzduch, který se v elektrickém poli vysoké intenzity transformuje na plazmu. Teplota v okolí oblouku se pohybuje  v rozsahu 2 000-10 000 °C. V plazmovém oblouku následně dochází k rozkladu organického a části anorganického odpadu na jednoduché plynné a kapalné sloučeniny.

Výsledkem tohoto procesu je syntézní plyn, který se skládá především z vodíku a oxidu uhelnatého (v nepatrném množství mohou být přítomny oxid siřičitý, chlorovodík a vodní pára). Syntézní plyn je vysoce hořlavý a má využití jako palivo v kogeneračních jednotkách (současná výroba tepla a elektřiny).

Složky odpadu, které se netransformují v plyn jsou roztaveny a na dně reaktoru vytvoří kovovou slitinu a strusku. Struska se následně vitrifikuje. Vitrifikace (zeskelnění) je totiž jednou z nejlepších metod fixace toxických odpadů. Při tomto technologickém procesu se ze vstupních surovin tepelným zpracováním vytvoří skelná fáze. Takto vzniklý vitrifikát je možné využít ve stavebnictví.

Před energetickým využitím se nejdříve syntézní plyn musí vyčistit. Odstraňují se z něj oxidy síry (SOx) a kyselina chlorovodíková (HCl), dále potom prachové částice, těžké kovy a vlhkost. Vyčištěný syntézní plyn je možné využít pro výrobu energie, nejvyšší účinnosti při výrobě energie se dosahuje při použití tzv. paroplynového cyklu.
 

Vliv na životní prostředí

Plazmové zpracování odpadu je šetrnější k životnímu prostředí v porovnání s klasickým spalováním, protože neprodukuje popel. Lépe je na tom i ve srovnání se skládkováním, dokáže totiž odpad energeticky využít a umí zpracovat i nebezpečný odpad.

Jedná se o systém konečné a permanentní likvidace, díky čemuž odpadá nutnost další manipulace se zbytkovým odpadem (např. popel nebo nespalitelné zbytky) a jeho přepravy a není potřeba jeho dodatečná likvidace. Další významnou výhodou je, že neprodukuje žádné dioxiny, furany nebo jiné škodlivé emise.

Jediným vedlejším produktem procesu zplyňování je vitrifikát – sklovitá tavenina, jež vzniká z anorganického podílu vstupní suroviny. Tavenina na rozdíl od popele není potencionálním zdrojem kontaminace, jelikož veškeré nebezpečné látky jsou vázány uvnitř její krystalické mřížky. Testy prokázaly, že struska je mnohem méně vyluhovatelná než sklo a lze jí použít např. jako stavební materiál.
 

Plazmové zplyňování ve světě

Nejvíce zkušeností s touto technologií mají v Japonsku, kde nejprve na přelomu tisíciletí úspěšně otestovali plazmové zplyňování na pilotním projektu v Yoshii, který zpracovával 151 tun odpadu denně. Následně byly zkušenosti využity při provozu dalších dvou na plazmové technologii založených zařízení zpracovávajících odpad. První zařízení bylo spuštěno v lokalitě Mihama-Mikata, bylo uvedeno do provozu v roce 2002 a zpracovává 24 tun odpadu denně. Následovalo zařízení ve městě Utashiana, spuštěné v roce  2003, které likviduje 220 tun odpadu za den.

V britském Swindonu zpracovávají touto technologií 150 tun odpadu za den. Dalšími zeměmi, kde již plazmové zplyňování úspěšně funguje, jsou Indie a Čína. Pilotní projekty již běží ve Francii nebo v Jižní Korei.

Ne všude je ovšem tato technologie provozována bezproblémově. V kanadské Ottawě, kde společnost Plasco Energy Group spustila ambiciózní projekt na zpracování až 150 tun odpadu denně, přišly finanční problémy a zařízení muselo požádat o ochranu před věřiteli.
 

Plazmové zplyňování v ČR

Od roku 2008 běží technologie plazmového zplyňování ve společnosti Safina ve Vestci u Prahy. Plazmové zplyňování se v Safině používá při zpracování průmyslových katalyzátorů a použitých baterií. Jedná se o bezodpadovou technologii, při níž dochází ke zplynování nemetalických složek zpracovaného materiálu. Takto získaný syntetický plyn je použit na výrobu tepelné a elektrické energie, jež je následně využívána ve výrobním závodě. Ze strusky se následně získávají drahé kovy k recyklaci.

Ekonomické hodnocení plazmového zplyňování

Caroline Ducharmová z Kolumbijské univerzity zkoumala existující technologie jednotlivých výrobců a z dostupných dat zjistila, že rentabilní je realizace plazmového zplyňování pouze od společnosti Westinghouse Plasma, světového lídra v tomto oboru. V porovnání s klasickou spalovnou vychází však plazmová technologie hůře. Technologii by tak mohla výrazněji prosadit motivace investorů dotacemi či vhodně nastavená legislativa.

Velkým problémem pro plazmové zplyňování je také obava veřejnosti z produkce škodlivých látek při zpracování odpadu. Zkušenosti z Japonska ukazují, že tato technologie dokáže pracovat hluboko pod zákonem stanovenými emisními limity. Realizace v Kanadě je zase varováním, že i přes podporu úřadů a snahu provozovatele, může projekt plazmového zplyňování zkrachovat.

Podle návrhu Evropské komise mají členské státy EU v roce 2025 zakázat skládkování recyklovatelných odpadů a v roce 2030 zakázat úplně skládkování neupraveného odpadu. To znamená, že se s tímto odpadem budeme muset vypořádat jinak. Technologie plazmového zplyňování je jednou z možností.

Reference:
DUCHARME, Caroline. Technical and economic analysis of Plasma-assisted Waste-to-Energy processes. New York, 2010. Dostupné také z: http://www.ewp.rpi.edu/hartford/~ernesto/F2012/EP/MaterialsforStudents/Patel/Ducharme2010_Thesis.pdf