Studiul Bibliografic al Tehnologiilor Pentru Arderea Deseurilor Solide In Amestecuri Eterogene

INTRODUCERE

Este bine cunoscut faptul că societatea modernă în care trăim este una a creșterii economice și a dezvoltării. Fără îndoială, dezvoltarea presupune o ascensiune a întregului sistem social, economic, politic, cultural etc. Tot atât de clar este și faptul că progresele care se vor a fi realizate într-unul dintre domeniile enumerate depind de rezultatele din celelalte domenii; cu alte cuvinte, există o foarte strânsă relație de interdependență între componentele progresului social generalizat și o verigă lipsă sau cu o dimensiune aflată sub nivel, ce atrage consecințe asupra ansamblului.

Însă toată această dezvoltare continuă a socității presupune și o protecție adecvată a mediului, în scopul asigurării unei dezvoltări durabile a acesteia. Mediul este suportul și izvorul vieții. A-l polua și a-l distruge este sinonim cu a submina existența umană. Tocmai de aceea, Organizația Mondială a Sănătății a ajuns la ideea că "menținerea sănătății și bunăstării cer un mediu înconjurător propice și armonios în care toți factorii fizici, psihologici, sociali și estetici își au locul bine definit. Mediul va trebui, în această situație, să fie tratat drept resursă, în scopul îmbunătățirii condițiilor de viață și bunăstării". [1]

Lumea resurselor fizice și a forței de muncă este una finită, iar dacă modul de creștere economică fundamentat pe baze clasice continuă, mai devreme sau mai târziu viitorul va fi pus sub un major semn de întrebare. Dintre numeroasele probleme de mediu existente, fără îndoială că deșeurile reprezintă una dintre problemele majore. Cantitățile de deșeuri generate se află pe un trend puternic ascendent de la an la an, iar impactul pe care îl au asupra mediului, implicit asupra comunității, este din ce în ce mai mare.

Gestionarea deșeurilor urbane reprezintă o responsabilitate majoră în primul rând pentru autoritățile administrațiilor publice, dar și pentru populație. În mod normal, gestionarea deșeurilor urbane se realizează prin trei etape principale: colectarea amestecată a deșeurilor, transportul acestora către depozitul de deșeuri și depozitarea deșeurilor.

În mod contrar față de situația întâlnită în majoritatea statelor dezvoltate din Uniunea Europeană, cantitatea de deșeuri generată în România este în general depozitată, doar un procent de 2% reprezentând deșeurile reciclate. Din totalul deșeurilor urbane, cea mai mare parte o reprezintă deșeurile menajere și asimilabile. Acestea provin din gospodării, respectiv de la unități economice, birouri, instituții, unități sanitare. Compoziția acestora a prezentat variații în ultimii ani, ponderea cea mai mare având-o totuși deșeurile biodegradabile. [2]

Obiectivul general al prezentei lucrări îl constituie identificarea unei soluții optime de gestionare integrată a deșeurilor urbane și analiza posibilității de valorificare a acestora în vederea obținerii unei surse alternative de energie, în condițiile unui impact favorabil asupra mediului.

1.1 GENERALITĂȚI

Deșeurile sunt acele substanțe sau obiecte de care deținătorul se debarasează, are intenția sau obligația de a se debarasa. În general, deșeurile reprezintă ultima etapă din ciclul de viață al unui produs (intervalul de timp între data fabricației produsului și data când acesta devine deșeu). Printre definițiile date deșeurilor dea lungul timpului se regăsesc următoarele:

„Deșeu, pl. deșeuri = partea din materia primă sau dintr-un material care rămâne în cursul fabricării produselor semifabricate sau al produselor finite și care nu mai poate fi valorificată prin prelucrare în același produs de fabricație; deșeuri sunt considerate și resturile rezultate în urma unor procese chimice sau metalurgice cu conținut în oxizi, sulfuri etc., care pot fi valorificate ulterior, ele având o valoare foarte mare. Deșeurile pot fi recuperabile sau nerecuperabile”.[3]

„Deșeu, deșeuri (DEX) = rest dintr-un material rezultat dintr-un proces tehnologic de realizare a unui anumit produs, care nu mai poate fi valorificat direct pentru realizarea produsului respectiv (din fr. dechet)”.

„Deșeul, în general, semnifică o valoare economică negativă, care se consideră că variază în spațiu și timp. În ceea ce privește deșeurile solide, acestea sunt considerate ca fiind substanțe nediluate în apă sau în aer, pe care deținătorul dorește sau trebuie să le elimine”.[4]

Deșeurile sunt, în conformitate cu Legea Mediului nr. 137/1995 ,,acele substanțe care rezultă în urma unor procese biologice sau tehnologice și care nu mai pot fi folosite ca atare, dar dintre care unele sunt refolosibile”.

„Deșeurile sunt acele substanțe sau obiecte care sunt eliminate sau urmează a fi eliminate sau este necesar să fie eliminate în conformitate cu legislația națională”.[5]

Deșeurile municipale reprezintă totalitatea deșeurilor generate în mediul urban și rural din gospodării, unități comerciale, instituții, agenți economici (deșeuri menajere și asimilabile), deșeuri stradale colectate din spațiile publice, străzi, parcuri, spații verzi, deșeuri rezultate din construcții-demolări, generate în gospodării și colectate de operatorii de salubritate, precum și nămoluri de la epurarea apelor uzate orășenești.[6]

1.2. DEȘEURI URBANE SOLIDE

1.2.1. Clasificarea deșeurilor

Din punct de vedere al naturii și locurilor de producere, deșeurile pot fi clasificate astfel:

deșeuri menajere – deșeuri provenite din sectorul casnic sau din sectoare asimilabile cu acesta și care pot fi colectate;

deșeuri stradale – deșeuri specifice căilor de circulație publică, ce provin din activitatea cotidiană a populației, de la spații verzi, animale, depunere de substanțe solide din atmosferă;

deșeuri asimilabile cu deșeurile menajere – deșeuri provenite din industrie, comerț, din sectorul public sau administrativ, cu compoziție și proprietăți similare cu deșeurile menajere, putând fi colectate, transportate, prelucrate și depozitate împreună cu acestea;

deșeuri voluminoase – deșeuri solide care, datorită dimensiunilor sale, nu pot fi preluate cu sistemele obișnuite de precolectare sau colectare, ci necesită o tratare diferențiată față de acestea;

deșeuri din construcții – deșeuri provenite din demolarea sau construirea de obiective industriale sau civile;

deșeuri periculoase – deșeuri toxice, inflamabile, explozive, infecțioase, sau de altă natură, care, odată introduse în mediu, pot dăuna plantelor, animalelor sau omului.

deșeuri agricole – deșeuri provenite din unitățile agricole și zootehnice (dejecții animaliere, deșeuri animaliere de la abatoare și din industria cărnii);

deșeuri industriale – deșeuri provenite din desfășurarea proceselor tehnologice.

deșeuri spitaliere – deșeuri provenite din activitatea spitalelor, unităților sanitare și care sunt incinerate în crematoriile spitalelor.

Compoziția merceologică a deșeurilor urbane

Cantitatea de deșeuri generată în fiecare an de țările europene este în continuă creștere, ajungând în prezent la peste 2000 de milioane tone, din care aproximativ 200 milioane tone de deșeuri menajere, tot atât cât reprezintă fluxul anual de deșeuri urbane la nivelul SUA, adică aproape o cincime din cantitatea anuală de deșeuri urbane la nivel global.

Deșeurile urbane sunt formate, în general, dintr-un amestec de deșeuri menajere, deșeuri din comerț similare celor menajere, deșeuri stradale, deșeuri din piețe, parcuri și grădini, deșeuri din demolări, nămol municipal, materii fecale, etc. ).[7]

Un studiu inițiat de Banca Mondială arată că rata de generare a deșeurilor este de două-trei ori mai ridicată în țările industrializate, comparativ cu țările în curs de dezvoltare; principala caracteristică ce a fost luată în discuție este umiditatea, în funcție de compoziția chimică și proveniență, situație prezentată în tabelul 1.1. [8]

Tabelul 1.1 Caracteristicile deșeurilor urbane solide în funcție de nivelul de industrializare

Notă: Tabelele prezintă date în conformitate cu statistica MAPM [8]

Astfel, țările vest-europene, spre deosebire de țările est-europene, produc o cantitate mare de deșeuri solide, industriale și urbane, ultimele fiind într-o proporție ridicată materiale de împachetare a bunurilor de consum (ambalaje) și într-o proporție mică de natură organică, biodegradabile. Două treimi din componența deșeurilor urbane sunt reprezentate de deșeurile menajere. Se estimează că la nivel global se produc anual peste un miliard de tone de deșeuri menajere, cu o compoziție ce diferă în funcție de nivelul de dezvoltare economică, compoziție reprezentată în tabelul 1.2.

De asemenea, cantitativ semnificative sunt și deșeurile prevenite din construcții și demolări, precum și cenușa și zgura din sistemul de termoficare.

Tabelul 1.2 Compoziția deșeurilor urbane solide în funcție de nivelul de industrializare

Notă: Tabelele prezintă date în conformitate cu statistica MAPM [9]

În contrast cu țările industrializate, compoziția deșeurilor urbane solide din țările în curs de dezvoltare include în proporție ridicată resturi de natură vegetală și un procent redus de hârtie și articole nealimentare. O categorie aparte în compoziția deșeurilor urbane solide o constituie deșeurile periculoase, precum bateriile auto uzate, aparatură electrică și electronică uzată (telefoane mobile, calculatoare) care conțin elemente nocive precum plumb, mercur, crom, etc. și care sunt caracteristice țărilor industrializate, unde acumularea acestora cunoaște un ritm anual de creștere de 18%.

România este o țară cu producție medie de deșeuri urbane, ce poate fi comparată cu țările vest-europene din punctul de vedere al indicelui de producere a lor (1kg/persoană/zi). În structura deșeurilor, ponderea majoră este deținută de deșeurile menajere ce provin din locuințe, instituții și diverse entități economice, tabelul 1.3.

Tabelul 1.3 Structura deșeurilor urbane

Notă: Tabelele prezintă date în conformitate cu statistica MAPM [8]

Compoziția procentuală a deșeurilor menajere, atât global, cât și la nivelul municipiului București, este prezentată în tabelul 1.4.

Tabelul 1.4 Compoziția deșeurilor menajere, global și pentru municipiul București

Notă: Tabelele prezintă date în conformitate cu statistica MAPM [8]

Pentru o corectă gestionare a deșeurilor urbane, este important de cunoscut nu doar cantitatea colectată și evacuată prin depozitare, ci și caracteristicile acestora, de ambele elemente depinde în egală măsură alegerea soluției de eliminare sau depozitare pe termen mediu sau lung.

Compoziția chimică a deșeurilor urbane

Informațiile privind compoziția chimică a componenților care constituie deșeurile urbane solide sunt importante în evaluarea proceselor de recuperare a acestora. Proprietățile de combustie depind de compoziția chimică a deșeurilor solide. Deșeurile urbane pot fi considerate ca o combinație de combustibili semiumezi și materiale necombustibile și combustibile.

 Din punct de vedere chimic, substanțele care intră în compoziția deșeurilor sunt clasate pe grupe, și anume:

Substanțe celulozice;

Substanțe albuminoide și proteinice;

Substanțe grase;

Substanțe minerale;

Materiale plastice.

Proporția medie a acestor grupe în deșeurile menajere este aproximativ cea din tabelul 1.5.[9]

Tabelul 1.5 Compoziția deșeurilor menajere pe grupe de substanțe chimice

Compoziția chimică a deșeurilor menajere este prezentată în tabelul 1.6. [9]

Tabelul 1.6 Compoziția chimică a deșeurilor menajere

Substanțe periculoase

Detergenții, cum ar fi înălbitorii, clorul, substanțele folosite la deblocarea țevilor, vopseaua, bateriile portabile, produsele pentru eradicarea gândacilor, medicamentele și alte produse pe bază de substanțe chimice fac parte din categoria substanțelor periculoase.

Unele dintre acestea sunt toxice și ne pot otrăvi, altele pot lua foc cu usurință sau pot distruge materialele cu care intră în contact. Aruncate în natură, poluează solul și pânza freatică.

Deocamdată, doar o parte dintre aceste deșeuri periculoase sunt  colectate separat și reciclate. Este vorba despre uleiul de motor, bateriile telefoanelor mobile, bateriile auto. Producătorii, importatorii și firmele care comercializează ulei de motor și baterii auto, precum și rețelele de  telefonie mobilă asigură colectarea acestor tipuri de deșeuri. Restul, cum ar fi medicamentele, vopselele, ierbicidele, pesticidele, nu sunt deocamdată colectate  separat.

În orașele care au facilități de sortare, aceste deșeuri sunt separate pe categorii la groapa de  gunoi. Aceste deșeuri trebuie plasate la gropi de gunoi pentru deșeuri periculoase, cum ar fi rampa de  gunoi înființată pentru acest tip de deșeuri, la Slobozia. Alte gropi de gunoi similare se află în construcție în  momentul de față.

Metalele grele (de exemplu plumbul) aflate în bateriile auto uzate pot afecta sănătatea mentală a copiilor. O baterie de telefon mobil poate polua 600 000 de litri de apă cu metale grele. Produsele chimice corozive pot strica țevile de scurgere sau canalele colectoare. [10]

O importanță deosebită în tratarea deșeurilor menajere este constituită de conținutul în metale grele. Acestea sunt nocive, având un impact negativ asupra mediului, din care motiv se urmărește ca ponderea lor atât în deșeurile menajere, cât și în cea a subproduselor lor, cenușă sau compost, să fie cât mai mică.

Compoziția deșeurilor menajere

În vederea identificării unor filiere de tratare a deșeurilor, împreună cu chestiunile financiare implicate, este foarte important să se cunoască cu exactitate cantitatea de deșeuri menajere produse într-o comunitate urbană într-o perioadă determinată (de regulă 1 an).

În vederea estimării cantităților de deșeuri, în mod uzual sunt utilizați doi indicatori:

a) cantitatea medie anuală [kg/loc.an];

b) cantitatea medie zilnică [kg/loc.zi].

În România, în anul 2003, valoarea indicelui mediu de producere a deșeurilor urbane a fost q = 0,95 kg/loc. zi, în timp ce al țărilor din Comunitatea Europeană, q = 0.9-1.4 kg/loc.zi. [7]

În Canada sunt generate aproximativ 3 kg/loc.zi, în Statele Unite aproape 2kg/loc.zi, în timp ce în Japonia cantitatea generată nu atinge nici măcar jumătate din această valoare. Mai mult, în India, spre exemplu, q < 0,5 kg/loc.zi. [16]

Principala caracteristică a deșeurilor menajere este heterogenitatea, cu variații de la o localitate la alta în funcție de anotimp, poziția geografică, gradul de dezvoltare a societății, specificul și nivelul vieții, etc. Totodată, compoziția fizico-chimică a deșeurilor este variabilă în timp, făcând necesară determinarea unei compoziții medii pe an, sezoane, etc., mai ales când se pune problema valorificării acestora.

Deșeurile menajere se compun din materialele amintite la subcapitolele anterioare. O astfel de grupare a părților componente ale deșeurilor permite ca pe baza ponderii cu care intervine fiecare categorie, să se stabilească direcțiile către care trebuiesc îndreptate eforturile în vederea valorificării superioare a acestora. Trebuie ținut cont în mod deosebit de schimbarea în timp a compoziției deșeurilor menajere. Această schimbare care o perioadă foarte lungă s-a efectuat în direcția scăderii procentului de materiale organice fermentabile și a creșterii ponderii de materiale combustibile, momentan cunoaște o oarecare încetinire și uneori chiar inversare de sens, ca urmare a reciclării și colectării diferențiate a hârtiei, plasticelor, cartoanelor și textilelor.

În laborator, deșeurile prelevate pentru probe se usucă într-o etuvă la o temperatură puțin peste 100 C, obținându-se umiditatea totală prin diferența de greutate. Din deșeurile uscate se separă astfel materialele sterile (metale, pietre, etc.) care nu aduc aport caloric. Se macină apoi partea rămasă până se ajunge la un material cu aspect lânos, după care se separă 10 kg de deșeuri amestecate în prealabil, care măcinate într-o moară cu bile apar ca un produs pulverulent, din care este separată o cantitate de 1kg ce urmează a fi măcinat într-o moară prevăzute cu cuțite cu ochiuri foarte fine. Pe baza acestui material sunt efectuate analize chimice și este determinată puterea calorifică. După arderea într-un cuptor de laborator a acestui material măcinat fin, se determină greutatea procentuală a cenușii. Prin scăderea procentului de cenușă și umiditate se obține cantitatea de material uscat. În continuare se fac analize de laborator pentru obținerea carbonului, hidrogenului, clorului, azotului, sulfului, potasiului, etc. După efectuarea mai multor analize de laborator, se consideră bune doar cele care între care nu există diferențe de 2%. [7]

Masa specifică a deșeurilor menajere este raportul dintre masa deșeului și volumul său. Datorită formelor multiple în care se regăsesc deșeurile, se determină masele specifice: în recipient, în autogunoiere, în depozit cu sau fără tasare, etc. Masa specifică stabilită în stare afânată, înainte ca deșeurile menajere să mai sufere o modificare este definită și masa specifică de referință:

, (1.2)

unde: γ – masa specifică a deșeurilor menajere, exprimată în kg/m3 ;

Gd – masa deșeurilor menajere, în kg;

Vd – volumul deșeurilor menajere, în m3.

Masa specifică de referință, de exemplu în cazul deșeurilor menajere, are în general o tendință de scădere, datorită creșterii continue a procentului deșeurilor cu masă specifică mică (hârtie, cartoane, ambalaje diverse, plastice,etc.) și scăderea procentajului de materiale inerte (zgură, cenușă, pământ, moloz) ca urmare a îmbunătățirii gradului de confort al locuințelor.

Deseurile menajere au masa specifică relativ mare, îndeosebi datorită procentului ridicat de deșeuri fermentabile (vegetale și animale), dar și a umiditătii ridicate a acestora. Valorile acesteia variază între 300-350 kg/m3.

Umiditatea deșeurilor menajere influențează direct atât masa specifică, cât și puterea calorifică și procesele de fermentare, când acestea sunt destinate formării compostului. Umiditatea este direct influențată de clima regiunii respective, variind de la un anotimp la altul. În tabelul 1.7 sunt prezentate valorile umidităților părților componente ale deșeurilor menajere. [7]

Tabelul 1.7 Valori pentru umiditate și masă specifică a deșeurilor menajere [7]

Umiditatea relativă este dată de conținutul de apă ce se poate îndepărta prin evaporarea în aer liber la o temperatură de 16-20 ºC și cu o umiditate relativă a aerului de circa 50 %. Umiditatea higroscopică (sau absolută), reprezintă conținutul de apă din deșeuri care nu poate fi îndepărtat decât prin uscarea în etuva de laborator, la o temperatură de 105 ºC, timp de 24 ore. Umiditatea totală a deșeurilor menajere variază între 25 – 60 %; este mai mare vara datorită procentului mare de vegetale.

Dimensiunile componentelor (lungime, lățime, înălțime) deșeurilor menajere, de regulă, au valori cuprinse între 15 – 18 cm.

Raportul Carbon / Azot (C/N) permite evaluarea aptitudinii deșeurilor menajere de a se biodegrada, putându-se măsura gradul de maturitate al compostului. Raportul C/N se situează între limitele următoare:

Deșeu menajer proaspăt: C/N = 20 – 35;

Compost: C/N = 10 – 25;

Un bun compost: C/N = 15 – 18;

Un bun sol de cultură: C/N = 10.

Proprietăți fizico-chimice ale deșeurilor urbane

Dacă deșeurile solide sunt utilizate drept combustibili, trebuie să fie cunoscute: compoziția chimică, temperatura de prelucrare, conținutul de energie a deșeurilor, care se pot determina prin: analiza chimică (rapidă), punctul de topire al zgurii, analiza chimică finală (a tuturor elementelor) sau puterea calorică.

Deșeurile municipale pot fi grupate după caracteristicile lor principale, în:

materiale combustibile (hârtie, carton, textile, lemn, plastic, cauciuc);

materiale în special fermentabile (resturi alimentare, fructe, legume);

materiale inerte (sticlă, ceramice, metale);

materiale cu granulație fină (pământ, cenușă, zgură).

O astfel de grupare a părților componente ale deșeurilor dă posibilitatea ca pe baza ponderii cu care intervine fiecare categorie, să se stabileasca direcțiile către care trebuie îndreptate eforturile în vederea proiectării raționale a platformelor de depozitare ecologică a deșeurilor municipale. În țara noastră, pe baza unor analize efectuate în orașele mari (Brașov, Cluj – Napoca, Iași, Baia Mare, Oradea, Galați, Târgoviște) compoziția medie a deșeurilor municipale prezintă limite de variație, prezentate în tabelul 1.8.

     Tabelul 1.8 Compoziția fizică a deșeurilor municipale din orașe mari din Romania [9]

Prin puterea calorică a deșeurilor se întelege cantitatea de căldură degajată prin arderea unui kg de deșeuri brute și se exprimă în kJ/kg. Ca orice alt combustibil, deșeurile au o putere calorică superioară (Hs) și o putere calorică inferioara (Hi).

Puterea calorică superioară presupune că vaporii de apă au fost condensați și au restituit căldura prin evaporare. Deoarece în instalațiile de incinerare vaporii de apă formați sunt evacuați la coș împreună cu gazele de ardere, fără a restitui căldura respectivă de evaporare, rezultă că ceea ce caracterizează de fapt deșeurile menajere este puterea calorică inferioară (Hi), care însă este destul de greu de determinat, pentru că deșeurile menajere au o compoziție foarte eterogenă și variază în mod cu totul aleatoriu în funcție de numeroși factori.

Pentru determinarea unei valori medii cât mai apropiate de realitate se folosesc mai multe metode, care conduc la rezultate acceptabile.

Metodele cele mai folosite pentru determinarea puterii calorice sunt următoarele:

a)     Măsurarea directă a puterii calorice cu ajutorul calorimetrului, cu dezavantajul de a fi făcută pe eșantioane mici;

b)   Calculul puterii calorice medii pe baza puterii calorice a componenților deșeurilor municipale;

c) Metode indirecte, pe baza căldurii recuperate și a pierderilor din instalație.[7]

TEHNOLOGII DE ARDERE A DEȘEURILOR SOLIDE

Tratarea deșeurilor se poate realiza printr-o serie de metode, dintre care: incinerare, piroliză, coincinerare sau uscare. Pe departe, procedeul termic cel mai important de la ora actuală este incinerarea.

În managementul modern al deșeurilor, prin incinerare se tratează deșeurile reziduale care nu mai pot fi valorificate, astfel încât să se ajungă la:

Inertizarea deșeurilor reziduale, minimizând astfel emisiile în aer și apă;

Distrugerea materialelor nocive organice și concentrarea materialelor anorganice;

Diminuarea masei de deșeuri de depozitat, dar în special a volumului;

Folosirea valorii calorifice a deșeurilor reziduale în scopul protejării resurselor de energie;

Transferarea deșeurilor reziduale în materii prime secundare, în vederea protejării celorlalte resurse materiale.

O instalație optimă de tratare a deșeurilor reziduale trebuie să îndeplinească cel puțin primele trei puncte. Pe lângă acestea se va ține cont și de următoarele aspecte: siguranța în funcționare, necesarul de investiții, necesarul de spațiu sau cantitățile ce pot fi prelucrate, respectiv viabile.

Incinerarea este o metodă de eliminare a deșeurilor prin arderea lor, cu obținere de căldură, gaze, abur și cenușă.

În cadrul pirolizei, deșeurile organice se transformă prin descompunere termică sub reținerea aerului în produse ce pot fi valorificate energetic datorită conținutului mare de energie, respectiv depozitate în cantități mult mai reduse.

Coincinerarea reprezintă valorificarea energetică a anumitor tipuri de deșeuri din industrie, cum ar fi de exemplu valorificarea anvelopelor uzate sau a combustibilor alternativi în cuptoare de ciment.

Deșeurile ce pot fi tratate termic sunt deșeurile municipale, nămolul orășenesc, deșeurile de producție periculoase și nepericuloase. Totuși, pentru fiecare tip de deșeu în parte există niște caracteristici tehnice bine definite. [13]

1.3.1. Incinerarea

Obiectivele principale ale incinerării deșeurilor sunt reducerea la maximum a potențialului de risc și poluare, diminuarea cantității și volumului de deșeuri, conversia substanțelor rămase într-o formă care să permită recuperarea sau depozitarea acestora, transformarea și valorificarea energiei produse.

Incinerarea este o metodă de distrugere termică a deșeurilor, iar în afara posibilității de valorificare a căldurii gazelor obținute prin ardere, oferă avantajul conversiei deșeurilor într-un reziduu practic nepoluant, puțin voluminos și redus ca pondere în raport cu materia primă inițială.

Prin incinerare pot fi distruse anumite tipuri de substanțe periculoase, imposibil de efectuat prin alte metode. În plus, este mai rapidă decât multe alte metode. Acest fapt se poate dovedi util de exemplu atunci când o zonă poluată trebuie rapid curățată, pentru a preveni afectarea oamenilor sau mediului ambiant. Incinerarea se poate folosi și pentru reducerea cantităților de deșeuri depozitate în deponee.

Pe de o parte, incinerarea oferă numeroase avantaje: scade cantitatea de deșeuri, necesită o suprafață redusă și se poate amplasa în mediul urban, diminuând cheltuielile de transport.

Pe de altă parte, incinerarea reprezintă doar o permutare ce se petrece în mediul înconjurător, deoarece avem iluzia că deșeurile dispar, dar în realitate ele reapar sub diverse alte forme. Așadar, înainte de îngroparea sau incinerarea deșeurilor, trebuie să ne asigurăm că s-au luat toate măsurile necesare pentru reducerea și reciclarea acestora.

Principala problemă care se pune în cazul incinerării este poluarea atmosferică. Incinerarea deșeurilor generează o gamă largă de poluanți atmosferici, precum: dioxine, furanii, oxizi de azot, compuși organici volatili, bioxid de carbon, metale grele (Hg, Pb, Cd).[11]

Pentru incinerarea deșeurilor menajere este nevoie de un combustibil auxiliar utilizat permanent sau doar pentru amorsarea procesului de ardere.

Arderea deșeurilor necesită anumite condiții tehnologice:

1. Uscarea prealabilă a deșeurilor până la o umiditate de 15%;

2. Aprinderea lor, care are loc la o temperatură de circa 650°C în focar;

3. Realizarea în camera de combustie a temperaturii de 800-1000°C, necesară pentru

disocierea compușilor de ardere volatili, toxici și rău mirositori;

4. Temperatura maximă în focar nu va depăși 1050°C pentru a evita fenomene ca: formarea de blocuri de zgură în masa reziduurilor (ceea ce face ca arderea să nu mai fie completă), vitrificarea zgurii pe grătare, transformarea cenușii într-o pastă care se solidifică pe canalele de fum, dar și pe țevile cazanului;

5. Temperatura gazelor de ardere la ieșirea din cuptor este de aproximativ 600ºC și necesită măsuri speciale de răcire, precum: recuperarea energiei termice din gaze, recircularea gazelor de ardere, astfel încât cu ajutorul lor să se asigure uscarea și încălzirea prealabilă a deșeurilor, dar și răcirea la temperatura mediului exterior, cu injecție de aer sau apă la ieșirea gazelor din focar.

Tehnicile actuale de ardere și de curățire a gazelor ce rezultă din ardere permit amplasarea instalațiilor de incinerare în zone populate, conducând la costuri reduse de transport a deșeurilor.

Procesele de tratare termică a deșeurilor reprezintă o opțiune fezabilă dacă este efectuată după variantele de valorificare (colectare, sortare, reciclare) și înaintea depozitării controlate.

Procedeul de incinerare se împarte în 4 faze, ce se întrepătrund în mare măsură:

uscarea: în partea superioară a grătarului se încălzesc deșeurile până la peste 100ºC prin intermediul iradierii cu căldură sau a convecției, având astfel loc îndepărtarea umezelii;

degazarea: prin continuarea procesului de încălzire până la temperaturi de peste 250ºC se exclud materiile volatile. Acestea sunt îndeosebi umezeala reziduală și gazele reziduale. Procesul de piroliză are loc la presiune atmosferică scăzută și la  temperatură ridicată;

arderea completă: în a treia parte a grătarului se atinge temperatura de ardere completă a deșeurilor;

gazarea: numai o mică parte din deșeurile arse sunt oxidate în cadrul procesului de piroliză. Cea mai mare parte a deșeurilor se oxidează în partea superioară a camerei de incinerare, la aproximativ 1000ºC.

Post-combustia: pentru diminuarea gazelor reziduale rămase neincinerate și a CO din emisii există mereu o cameră de post-combustie. Aici este adăugat aer sau gaz rezidual desprăfuit în vederea realizării incinerării complete. Timpul de păstrare în această zonă este de minim 2 secunde la o temperatură de 850 ºC.

COMPONENTELE ȘI SCHEMA UNEI INSTALAȚII DE INCINERARE

O instalație de incinerare este formată din:

sistemul de recepție, depozitare și prelucrare locală a deșeurilor;

sistemul de alimentare a cuptoarelor cu deșeuri, aer și combustibil suplimentar;

cuptorul, boilerul și sistemul de recuperare a energiei;

dispozitive de tratare a gazelor de ardere, a apei uzate și de depozitare a deșeurilor.

Incinerarea de deșeuri solide se folosește fie pentru deșeuri nesortate, caz în care se utilizează arderea în masă, fie pentru combustibil derivat din deșeuri.

Elementele componente ale unei stații de incinerare sunt evidențiate în figura 1.1.

Fig.1.1 Componentele unei instalații de incinerare [12]

Prima fază este cântărirea deșeurilor, urmată de descărcarea acestora într-o cuvă cu capacitatea calculată pentru a înmagazina deșeurile pe parcursul a două zile. Lățimea acesteia depinde de numărul de autovehicule care descarcă simultan deșeuri în ea. Deșeurile ajung în cuptor prin pâlnia și canalul de alimentare, fiind manevrate cu ajutorul unui pod rulant pe care se deplasează o macara cu cupă greifer care alimentează cuptorul de ardere.

Aerul necesar arderii poate fi introdus  pe sub grătare sau pe deasupra acestora, cu debite calculate astfel ca să poată fi controlate temperatura în cuptor și rata combustiei. În procesul de ardere, în camera de combustie se degajă diferite particule organice mici care ard la temperaturi de peste 900°C.

Căldura gazelor fierbinți este recuperată cu ajutorul unor tuburi pline cu apă ce formează pereții camerei de combustie sau cu un boiler situat în partea de sus a camerei de combustie.[12]

Fig. 1.2 Pâlnie și puț de alimentare cu deșeuri a camerei de incinerare[13]

1.3.1.1. Incineratoare cu grătare mobile

În Europa, peste 90% din incinerarea deșeurilor are loc prin intermediul sistemelor cu grătare mobile.[14]

La toate incineratoarelor cu grătar, structura de bază a cuptorului de ardere include un grătar de ardere, pereții camerei de ardere și un plafon în partea superioară. Grătarul poate fi orizontal sau puțin înclinat, caz în care cea mai întâlnită versiune este cea a cuptorului cu grătar cu acțiune inversă. Barele grătarului pot fi răcite fie cu aer, fie cu apă.

Fig. 1.4 Vedere cuptor cu grătar [13]

În continuarea instalației de incinerare este amplasat un generator de aburi, ce convertește energia din gazele uzate în energie recuperată. După răcirea gazelor uzate, acestea sunt trecute în instalații de epurare, unde sunt folosite diferite procese pentru a separa pulberile și componenții gazoși din gazele de ardere. Apa uzată generată este și ea recirculată în curent fierbinte de gaze reziduale și evaporată sau post epurată în instalații speciale (evaporare indirectă sau epurare).

Un incinerator pentru tratarea termică a diferitelor fracțiuni de deșeuri trebuie proiectat cu mare precizie, pentru a funcționa fără probleme și în conformitate cu legea. Stabilitatea și siguranța în funcționare depind de omogenitatea deșeurilor introduse în incinerator, dar și de variațiile maxime ale parametrilor deșeurilor în unitatea de timp.

Timpul de așteptare pe grătare a deșeurilor nu depășește 60 de minute. Sursa primară de aer asigură combustia directă a deșeurile în vreme ce sursa secundară de aer incearcă să efectueze amestecul turbulent al deșeurilor cu scopul unei combustii complete. Pentru obținerea unei combustii complete a gazelor e necesar ca temperatura minimă a gazelor să fie de 850ºC.

Conținutul de energie al aburului este transformat în energie kinetică, iar printr-un generator este apoi convertită în electricitate. Căldura în exces a aburului cu presiune ridicată este transformată în apă fierbinte și folosită pentru încalzire sau este răcită. [14]

După modul de avansare și amestecare a deșeurilor în funcție de mișcarea barelor componente ale grătarelor, se pot distinge următoarele tipuri de incineratoare:

Incineratoare cu grătar având mișcare de translație;

Incineratoare cu grătar având mișcare continuă;

Incineratoare rotative;

Incineratoare cu sectoare basculante;

Incineratoare mixte.

În continuare, vor fi prezintate o parte din cele mai reprezentative incineratoare cu grătar:

Arzător turbionar (construcție STEIN MÜLLER) este reprezentat în figura 1.5 și are la bază mai multe grătare realizate fiecare dintr-o serie de trepte fixe și mobile, din a căror mișcare relativă se obține atât o împingere a deșeurilor, cât și o răsturnare a lor.

Arzătoarele cu praf de tip fantă au o structură care permite introducerea aerului primar cu prafuri de cărbune, a aerului secundar în 3 trepte în funcție de înălțimea arzătorului.[15.1]

Fig. 1.5. Incineratorul STEIN MULLER [7]

În cazul arzătoarelor multiple, în focarele cazanelor mari se distribuie arzătoarele pe înălțime astfel încât în zona inferioară să fie montate arzătoare cu λ < 1, dat fiind că pe parcursul traseului se introduce aer suplimentar la arzătoarele din cotele superioare ale focarului. În acest fel se înrăutățeste arderea, rezultând în prima etapă creșterea CO care va arde în etapa a 2-a odată cu aerul secundar de ardere. La arzătoarele cu praf de cărbune se poate face reducerea NOx prin injecție de hidrocarburi în zona mediană a focarului.

Incineratoarele de acest tip au debite mici, de până la 10 t/h, fiind folosite începând cu anii ‘70.

Incinerator cu grătare mobile (MARTIN), prezentat în fig. 1.6, are barele antrenate de două lanțuri ce se mișcă pe role, într-o mișcare rectilinie, cu ghidaj în partea inferioară. Acest tip de grătar atinge limita superioară a puterii termice pentru instalațiile cu ardere în strat. Folosindu-se pentru arderea atât a cărbunilor, cu un conținut redus de cenușă și umiditate, cât și a ligniților, prin introducerea unui aruncător de particule. Poate fi utilizat și ca grătar post ardere la cazanele cu ardere a cărbunilor în stare pulverizată.

Cazanul poate atinge puteri termice ridicate. Viteza grătarului poate fi reglată în funcție de calitatea cărbunelui în limite largi, 0,8 – 16 m/h. Opritorul de cărbune, montat la finele grătarului, are rolul de a regla înălțimea stratului de cărbune (se poziționează în funcție de sarcină și de conținutul de cenușă din combustibil).

Barele mobile sunt așezate alternant cu barele fixe și au o mișcare de glisare într-o cadență reglabilă, realizând nu doar o deplasare, ci și o răsturnare și zdrobire a materialului. Viteza de înaintare și înălțimea patului de material sunt ajustate cu ajutorul unui tambur cu rotație lentă (extractor de cenușă) amplasat în zona finală a grătarului.

Fig. 1.6. Incineratorul MARTIN [7]

Pentru a se evita zgurificarea, se utilizează recircularea de gaze de ardere din zona finală a cazanului (temperatură 180 – 220C). Gazele recirculate se introduc cu ajutorul unui ventilator special, în zonele de admisie a aerului sau chiar în canalele de aer. Scăderea temperaturii în strat la funcționarea cu recirculare de gaze de ardere, permite reducerea calității materialelor din care sunt executate barele. Pentru cărbunii bruni din țara noastră, se recomandă cazanele echipate cu GIR (grătar cu împingere răsturnată) pentru debite de abur de maxim 10 t h/ și pentru apă fierbinte de maxim 10 Gcal h/). [15.1]

Incineratoarele de acest tip au o largă răspândire în Europa și în Statele Unite ale Americii, prelucrând de la 4 t/h la 50 t/h. După acest principiu sunt construite uzine cu debite mari, ca: ISSI les MOULINEX (4 linii a 20 t/h) și IVRY (2 linii de 50 t/h) din Pari.

Incineratorul LAURENT BOUILLET (Fig. 1.7) Deșeurile sunt cântărite și sortate (1) apoi preluate de o macara (2) și introduse în alimentatorul de deșeuri (3), ulterior fiind dozate cu grijă în alimentator.

Deșeurile avansează apoi în zona de combustie (5 ) și (6) care are formă conică, în care aerul de combustie este suflat, prin duzele de distribuție, deasupra patului de deșeuri.

Cenușa fierbinte depozitată la fundul centralei cade într-un rezervor cu apă (11), iar reziduurile și praful sunt reduse într-un procent de aproximativ 90%. La ieșirea din camera de post-combustie, gazele sunt răcite (aprox. 400ºC) prin intermediul unui schimbător de căldură (8) și evacuate în atmosferă, nu înainte însă de a fi tratate și filtrate (13) și (14).

Una din particularitățile acestui tip de incinerator este că pot fi tratate deopotrivă atât deșeurilor menajere, cât și cele industriale. [15.2]

Fig. 1.7 Funcționarea incineratorului LAURENT BOUILLET [15.2]

Incineratorul oscilant LAURENT BOUILLET poate avea una sau mai multe linii de procesare de aproximativ 2-100 tone pe zi, cu o capacitate anuală de debite cuprinse între 1 și 10 t/h, dar poate fi folosit și pentru capacități din gama 2 -5 t/h.

Există și o variantă a incineratorului LAURENT BOUILLET a cărui rotație este permanentă și care are prevăzută evacuarea gazelor arse în imediata apropiere a lăcașului de introducere a deșeurilor în incinerator. [7]

Fig. 1.6 Incineratorul LAURENT BOUILLET [15.2]

Producătorii oferă o gamă largă de grătare. Aceste sisteme s-au impus și oferă posibilități corespunzătoare de stabilire a geometriei camerei de ardere și a camerei de ardere secundare în vederea reducerii emisiilor și pentru a putea asigura capacități de incinerare mari (până la 40t/h, în funcție de proiect).

Capacitatea cuptorului este funcție de suprafața grătarului și volum. Volumul cuptorului este calculat în funcție de cantitatea de căldură degajată, de 178000 Kcal/m3 și capacitatea calorifică a deșeurilor, de 2777Kcal/Kg, la un flux orar de 64 kg/m3. De obicei se asigură 0.85-0.99m3 volum incinerator pentru fiecare tonă de deșeu incinerabilă pe zi.

În funcție de caracteristicile de ardere ale deșeurilor este stabilit unghiul de înclinare al grătarului (între 10 și 30 grade). Procentul de materiale nearse este între 0.3-2%, în funcție de calitatea întreținerii utilajului. Pentru diminuarea uzurii se folosesc grătare răcite cu apă care, în 1996 fiind demonstrat că după 42000 ore de funcționare nu s-a înregistrat o uzură semnificativă. [14]

1.3.1.2. Cuptoare cu strat fluidizat

Cuptoarele cu strat fluidizat se caracterizează printr-o ardere în suspensie. Acest tip de cuptor constă dintr-o incintă căptușită cu cărămidă refractantă, divizată în trei compartimente suprapuse. Compartimentul de bază servește ca plin de aer cald insuflat, al doilea compartiment conține agregatele, nisipul și pietrișul care sunt ținute în suspensie prin aerul insuflat, al treilea compartiment folosește ca și cameră de combustie. Agregatele cu o temperatură de aproximativ 800 C 0 și menținute în suspensie, intră în contact cu deșeurile introduse prin partea superioară.

Există un număr mare de astfel de instalații pentru deșeurile menajere în Japonia și Suedia, dar se găsesc câteva și în S.U.A.

Această tehnologie este încă în plină dezvoltare și promite să aibă utilizări diversificate. În figura 1.7 este prezentat modul de funcționare al unui incinerator cu ardere în strat fluidizat.

Folosit ca incinerator, acest tip de cuptor se folosește pentru o gamă largă de deșeuri solide, lichide și gazoase, în special nămoluri de canalizare, deșeuri petroliere, deșeuri din industria hârtiei și celulozei. Diametrul interior al unui astfel de cuptor este de aproximativ 8 m, cu o înălțime de 10 m. Temperatura este menținută între 760 și 870ºC cu ajutorul unor arzătoare situate dedesubtul și deasupra patului.[11]

Fig. 1.7 Instalație de ardere în strat fluidizat [15.1]

Procedeele de incinerare în strat fluidizant se clasifică după domeniile de viteză a gazelor de ardere prin camera de ardere sau prin ordonarea duzelor din partea inferioară a acesteia.

Astfel, se pot deosebi trei mari categorii de cuptoare cu strat fluidizat:

– Strat fluidizat staționar – la presiune atmosferică și alimentat sub presiune materialul e deplasat cu viteză foarte mică;

– Strat fluidizat circulant – se lucrează cu viteze mari, combustibilul nears fiind recirculat;

– Strat fluidizat rotativ – funcționează similar cu stratul fluidizat staționar, dar se ating timpi de staționare mai mari în zona de ardere, deoarece prin aranjarea duzelor de la partea inferioară se produce o mișcare de rotație;

Întrucât funcționează la o temperatură relativ scăzută a gazului și cu un exces de aer mic, incinerarea în strat fluidizat reduce conținutul de oxizi de azot. Pentru neutralizarea gazelor acide se poate introduce var alături de deșeuri.

Incineratoarele cu pat fluidizat prezintă nenumărate avantaje față de incineratoarele convenționale, printre care: ușurință în exploatare, combustie eficientă, în sensul reducerii emisiilor atmosferice și al reducerii procentului de materii nearse, compactitate, absența pieselor mecanice în mișcare, o mare inerție termică datorată patului de nisip și o bună îndeplinire a condițiilor fundamentale pentru incinerare: temperatură, timp de staționare și turbulență.[15]

Procedeul incineratoarelor cu pat fluidizat rotativ este una dintre tehnicile cele mai avansate de distrugere a deșeurilor menajere. A fost dezvoltat de societatea japoneză EBARA CORPORATION pentru incinerarea acestor tipuri de deșeuri.

Patul fluidizat constă într-o masă de nisip în suspensie în aer. De îndată ce încălzim această masă, fie prin preîncălzirea aerului, fie arzând deșeurile imersate, nisipul atinge rapid temperatura de combustie. Aerul primar este folosit pentru fluidizarea nisipului, iar cel secundar este injectat în camera de postcombustie pentru creșterea turbulenței și finalizarea combustiei.

Dat fiind faptul că acest procedeu funcționează bine în cazul deșeurilor menajere cu un conținut ridicat de umiditate și putere calorifică scăzută, se recomandă pentru viitoarele centrale de incinerare a deșeurilor menajere românești. Acest sistem este superior celui clasic și în ceea ce privește valorile emisiilor de noxe.

1.3.1.3. Cuptoare

Cuptoare cu radiații infraroșii

Procedeul cu radiații infraroșii a fost inițiat pentru tratarea solurilor contaminate și a deșeurilor solide și lichide. Instalațiile ce funcționează pe acest principiu se compun dintr-o cameră primară cu radiații infraroșii care funcționează pirolitic la temperaturi între 540 – 1000 ºC, echipată cu o bandă transportoare din oțel inoxidabil pentru deșeuri și o cameră secundară încălzită cu propan la 1100- 1260 ºC.

Deșeurile sunt alimentate în camera primară. Căldura este furnizată de elementele încălzitoare cu radiații infraroșii, precum tijele din carbură de siliciu, prevăzute cu contacte electrice la extremități, instalate pe pereții camerei.

Deșeurile sunt transportate în camera de ardere prin intermediul unei curele de sârmă de oțel aliat. Circulația gazelor se poate realiza fie în echicurent, fie în contracurent. La ieșirea din camera de ardere, deșeurile sunt colectate într-o tobă colectoare. Efluenții gazoși ce părăsesc camera primară intră în camera secundară în vederea finalizarea arderii. Camera secundară permite un timp de staționare a gazului de 2,2 s și un exces maxim de aer de 100%.

Cuptoare cu injecție de lichid

Incineratoarele cu injecție de lichid permit eliminarea aproape în totalitate a deșeurilor lichide combustibile, precum uleiurile lubrifiante, solvenții, vopselele cu latex și pesticidele. Incineratorul este format dintr-o cameră de ardere orizontală sau verticală din oțel, căptușită cu materiale refractare și echipată cu o duză sau alt dispoziiv ce atomizează deșeurile și le amestecă cu aerul.

Deșeurile lichide pot fi injectate cu un dispozitiv de injecție sub presiune. Incineratoarele de acest fel se pretează deșeurilor lichide ce pot fi atomizate. Deșeurile lichide cu vâscozitate ridicată pun probleme din punctul de vedere al eliminării și al arderii, iar prin urmare nu sunt utilizate. Plaja de temperaturi caracteristică este de la 650 la 1650 ºC. Timpul de staționare variază între 0,5 și 2 secunde. Încărcarea termică realizată de deșeurile sărace, ce necesită aport de combustibil auxiliar este de ordinul a 900000kj/m3h.

Deșeurile bogate, cu putere calorifică mare, care nu necesită aport de combustibil suplimentar și care pot fi injectate printr-un arzător cu turbinare, de mare intensitate realizează încărcări termice de ordinul a 3700000kj/m3h. [15]

Piroliza

Piroliza, ca și incinerarea, reprezintă un proces termic de tratare a deșeurilor menajere, prin descompunerea termică a materiei organice în absența sau prezența în concentrație redusă a oxigenului. În practică, acest procedeu este denumit și degazare.

Este primul stadiu de transformare termică după uscare a produsului tratat, ce permite obținerea în proporții diferite a următoarelor componente: [7]

gaze de piroliză (CO2, CO, H2, hidrocarburi, etc.);

uleiuri (hidrocarburi grele);

solide (cocs, format din carbon și anorganice).

Astfel, sub acțiunea căldurii și în absența oxigenului, compușii organici de masă moleculară ridicată se fragmentează în molecule mai ușoare ce vor da naștere componentelor precizate mai sus, care sunt entități chimice mai simple.

Procesul tehnologic al pirolizei se efectuează astfel încât deșeurile să fie descompuse într-un reactor într-o durată de timp îndelungată (câteva ore), la o temperatură cuprinsă între 500-10000 C. În cursul acestui proces iau naștere, pe de o parte, gaze de piroliză (cu o putere calorică mai mică de 3000 kcal/kg) ca: hidrogen, bioxid de carbon, oxid de carbon, acid sulfuric, amoniac și alți produși, iar pe de altă parte, zguri (cu puteri calorice de cca. 500 kcal/kg) care conțin componente nedegazabile, precum cocsul de piroliză. Se formează în plus substanțe lichide precum apa și hidrocarburile.[17]

Valoarea energetică a produselor obținute și gradul de extracție depind atât de condițiile de presiune și temperatură create în reactor, cât și de compoziția materiei prime utilizate (deșeurile). Dacă primele condiții pot fi respectate, cele referitoare la calitatea deșeurilor sunt extrem de greu, dacă nu imposibil de păstrat. Din acest motiv apar la procesare subproduse ce ridică probleme deosebite: de neutralizare, utilizare, poluare, etc. Se pot cita în acest sens: apele fenolice, zgura, gudroanele și semicocs.

Pentru a se evita măcar o parte din incoveniențe, produsele gazoase ale pirolizei deșeurilor sunt arse imediat după ieșirea din reactor, iar căldura obținută se utilizează în proces (endoterm), excedentul fiind utilizat pentru producerea aburului în cicluri Rankine-Hirn obținându-se energie electrică. În acest fel, piroliza devine de fapt o piro-combustie a deșeurilor, iar dacă ținem seama de consumul propriu de energie al reactorului și de pierderile mari de carbon în semicocsul și zgura produsă, energia recuperată din deșeuri printr-un astfel de procedeu poate fi mai redusă decât cea posibil de obținut printr-o ardere directă, prin incinerarea deșeurilor.

În același timp intervin o serie de factori pozitivi, precum: creșterea cotei de recuperare a materialelor reciclabile, plus omogenizarea deșeului brut într-un combustibil cu proprietăți similare cărbunelui: cocsul de piroliză.

Piroliza reprezintă singura metodă de valorificare a deșeurilor din material plastic care nu presupune separarea lor în funcție de compoziția chimică.

Prin piroliza unei tone de deșeuri menajere se pot obține: cca. 200 kg gaze de piroliză, 170 kg păcură, 120 kg metale, 50 kg sticlă, în timp ce 33% sunt alte reziduuri solide, care se refolosesc în reacțiile ulterioare.

Caracteristicile procesului de piroliză: 

se reduce volumul deșeurilor la 40%, față de 10-30% în cazul incinerării;

proporția gazelor de piroliză este de 10-20% din cantitatea gazelor care rezultă la incinerarea deșeurilor, ceea ce este foarte important pentru epurarea gazelor;

din capacitatea energetică a deșeurilor, 2/3(cca. 2000kcal/kg) este folosită pentru funcționarea instalațiilor, iar restul de 1/3 este disponibilă pentru utilizări ulterioare.

Procedeele de piroliză sunt mult mai puțin poluante decât incinerarea, deoarece prin procesele de epurare din produsele de piroliză sunt eliminate noxele.

În ceea ce privește protecția mediului ambiant, trebuie analizate produsele obținute, adică zgura și gazele. În privința deșeurilor solide este necesară cunoașterea mai profundă a compoziției zgurii. Gazele care se formează în timpul pirolizei sunt supuse unei spălări în atmosfera umedă, în scopul eliminării parțiale a componentelor gazelor toxice. În acest sens, se pot aplica tehnologiile folosite la producerea de gaze de cocserii, care nu ridică probleme de protecție a mediului înconjurător, cu excepția probabil a mirosurilor.

Deci, prin piroliză, ca și prin incinerare se realizează un proces termic prin care se distrug reziduurile. Dar, în timp ce prin incinerare se efectuează o exploatare termică, utilizarea energiei reprezentând un scop ulterior, prin piroliză se urmăreste mai cu seamă extracția de combustibil gazos și lichid. Ambele procedee trebuie să țină seama de cerințele mediului înconjurător, ca o primă condiție.[16]

Apa reziduală provenită din piroliză părăsește reactorul sub formă de abur și apare după răcirea gazului drept condensat. Apele reziduale cu conținut organic mare, îndeosebi în cazul pirolizei deșeurilor, necesită o pretratare chimico-fizică, deoarece materialele nocive pot fi reduse doar parțial în instalații de epurare biologice. O altă posibilitate a evitării materialelor nocive în apele reziduale este descompunerea termică a gazelor de ardere mocnită. [13]

Următoarele deșeuri fac obiectul procedeelor de piroliză: deșeuri plastice, uleiuri uzate, cauciucuri, deșeuri organice din industria chimică, deșeuri menajere (fracții organice), etc.

Dintre principalele procedee de piroliză se identifică:

a) piroliza de joasă temperatură (400-6000ºC) și de medie temperatură (600- 10000ºC);

b) piroliza de foarte înaltă temperatură (peste 20000ºC);

c) piroliza în baie de săruri sau metale topite;

d) piroliza sub vid. [7]

În figura 1.8 este prezentată schema de principiu a procesului de piroliză.

Fig. 1.8 Piroliza de joasă temperatură [7]

În procesele de piroliză se utilizează următoarele tipuri de reactoare: rotativ, pat fix, pat în suspensie, pat fluidizat și reactor în dublu flux.

Piroliză în cuptoare rotative este o tehnologie dezvoltată inițial în Germania în vederea valorificării hidrocarburilor. Cuptorul este alimentat cu deșeuri solide iar procesul de piroliză se desfășoară într-un cuptor rotativ încălzit direct prin arzătoare pe gaz, în absența oxigenului. Temperatura de piroliză (maxim 6500ºC) și durata de staționare a deșeurilor în cuptor sunt reglate în funcție de încărcarea acestuia.

Gazele de piroliză produse în cuptorul rotativ sunt trimise în contracurent spre cocsul pirolitic, apoi sunt extrase. Acestea parcurg apoi două etape de condensare:

într-o primă etapă sunt răcite la 3000C și simultan, particulele de cocs conținute în acești vapori sunt eliminate prin spălare; uleiul pirolitic obținut la un punct de fierbere ridicat poate fi reciclat în cuptorul rotativ în vederea conversiei sale în hidrocarburi mai ușoare sau valorificat printr-o hidrogenare sub presiune înaltă, dând produse de rafinărie de înaltă calitate.

în etapa a doua, vaporii pirolitici sunt răciți până la la 35°C; în acest fel hidrocarburile ușoare și vaporii de apă sunt condensați.

Gazele pirolitice necondensabile sunt recuperate, înlăturându-se substanțele nocive și în final fiind utilizate pentru încălzirea cuptorului. O astfel de instalație pilot servind pentru eliminarea reziduurilor de la tratarea uleiurilor minerale funcționează în regiunea Ruhr din Germania (Veba).

Piroliza în băi cu materiale topite prin care sunt tratați în special: solvenți, deșeuri organice uleioase precum și deșeuri rezultate din procesele de chimie organică (sinteză, distilări).

Piroliza în băi de sticlă topită are ca obiectiv distrugerea compușilor organici precum și a nitraților și de a imobiliza părțile rămase sub formă de sticlă. Sticla topită este încălzită electric și are un comportament în cadrul procesului de lixiviere conform normelor în vigoare. Procedeul este un proces de vitrificare a deșeurilor.

În funcție de natura deșeurilor tratate, este necesar să se adauge compuși minerali în vederea obținerii sticlei (silicați). Această tehnologie nu a atins stadiul industrial. Cuptoare pilot verticale sau orizontale au o capacitate de tratare de 100 Kg/h deșeuri (1000 t deșeuri pe an).

Piroliza în băi de metale topite

Majoritatea încercărilor sunt făcute în SUA cu ajutorul convertizoarelor din industria metalurgică pentru transformarea fierului în oțel sau fontă. Astfel, deșeurile combustibili sunt oxidate și compușii metalici sunt solubilizați în baie.

Piroliză în băi de săruri topite este o metodă de combustie a produselor organice. Diferite procedee furnizează un combustibil pornind de la deșeurile tratate și permit distrugerea prin oxidare completă, a deșeurilor. Temperatura (400 – 1100 °C) depinde de amestecul de săruri utilizate. Clorurile de potasiu, sodiu precum și carbonații sau sulfații de sodiu sunt substanțe frecvent utilizate ca săruri topite.

Tratarea deșeurilor prin imersie în baia de săruri topite cuprinde următoarele faze:

introducerea deșeurilor în baie;

combustia/piroliza deșeurilor, la temperatura băii;

reacția produșilor de combustie/piroliză cu sarea sau amestecul de săruri;

separarea eventualelor cen nuși în baia de săruri;

reciclarea sării.

Există o unitate pilot în localitatea Rockwel (SUA) ce tratează 130 Kg/h (1000 t/an) de hexaclor-benzen. De asemenea, există preocupări și în Franța privind acest procedeu încă din 1983 la Centrul de Piroliză Marienan privind piroliza combustibililor sau a deșeurilor solide în băi de săruri topite la o temperatură de 900C.

Termoliza [19]

Termoliza este un procedeu termic asemănător pirolizei ce se desfășoară însă la temperaturi mai coborâte (400-500ºC), în absența oxigenului. Promotorii acestui procedeu aduc drept argumente față de incinerarea clasică: un impact mai redus asupra mediului înconjurător și o adaptabilitate perfectă pentru cantități relativ scăzute de deșeuri ce urmează a fi tratate.

Termoliza este destinată distrugerii fracției organice combustibile a deșeurilor, fiind optimă pentru un deșeu ce în prealabil a fost supus proceselor de: triere, măcinare și deshidratare.

Se obțin, ca și în cazul procedeului de piroliză în funcție de natura deșeului, de starea de dezagregare, de presiune, de temperatură și timpul de sejur și de eventuala prezență a catalizatorilor următoarele produse: 36

un solid (cocs sau carbon), compus din carbon fix având o putere calorifică inferioară de ordinul a 16000 kJ/kg. Acest solid poate fi valorificat energetic în cadrul centralelor termice clasice sau în camera de combustie sau de postcombustie a cuptorului de piroliză;

fază lichidă “ulei de piroliză” de tip “hidrocarbură” sau “gudron” care rezultă din condensarea fazei gazoase. Aceste uleiuri pot fi utilizate drept substituenți pentru combustibili cum ar fi gazolina în cadrul instalațiilor clasice;

un “gaz de piroliză” având o compoziție complexă (H2, CO, CH4, C2H2, C2H4 etc.) având o putere calorifică de până la 12500 kJ/Nm3 ce poate fi utilizat drept combustibil în cadrul unei instalații de turbină cu gaze;

compuși sterili din produse necombustibile: sticlă, metale a căror cantitate variază în funcție de natura deșeului.

Față de incinerarea clasică, termoliza prezintă câteva avantaje:

un impact mai redus asupra mediului;

se adaptează foarte bine pentru cantități scăzute de deșeuri care trebuie tratate.

Procedeul Thermolysis constă în termoliza deșeurilor la o temperatură de 420 °C în absența oxigenului. [7]

În primă fază, deșeurile sunt măcinate și supuse procedeelor de îndepărtare a fierului din conținutul lor, apoi are loc procesul de uscare a deșeurilor în circuit închis cu distrugerea mirosurilor și condensarea vaporilor de apă extrași din deșeuri. Apa recuperată este tratată și reutilizată în cadrul procesului. Uscarea permite economisirea de energie întrucât evaporarea apei în aparatul de termoliză ar face să se consume energie și să scadă puterea calorifică a gazelor.

Deșeurile comprimate sunt introduse în termolizor unde este asigurată o temperatură de 420°C. Aici are loc o separare automată a acestora datorită diferenței de densitate a inertelor, cocsului și materiei organice; gazele extrase sunt răcite, spălate și neutralizate, fiind stocate într-un gazometru înainte de a fi arse într-un motor cu gaz pentru producerea de electricitate.

Refuzurile în atmosferă conțin numai CO2 și vapori de apă, iar nămolurile sunt vitrificate la o temperatură de 15000C într-un cuptor cu inducție. Așa-numita “fază densă” conține metale atât sub forma lor inițială cât și minerale inerte; metalele pure și aliajele pot fi reciclate în industria metalurgică. Acest procedeu a fost dezvoltat în Spania, în localitatea Vittoria, ce dispune de o instalație pilot de termoliză de 8000 t/an.

1.4. COSTURILE IMPLEMENTĂRII UNUI PROIECT DE VALORIFICARE A POTENȚIALULUI ENERGETIC AL DEȘEURILOR URBANE

1.4.1. Proiecte existente la nivel global

Primele incineratoare de deșeuri au apărut la începutul secolului XX, atât în Europa (Danemarca, UK, Cehia), cât și în Statele Unite ale Americii. [20]

În perioada 2001-2007, capacitatea sistemelor de conversie a deșeurilor în energie a crescut cu aproape patru milioane de tone pe an. Japonia și China au implementat nenumărate planuri de obținere a energiei folosind metodele topirii directe sau pe pat fluidizat a deșeurilor solide, aceasta dintâi fiind cel mare utilizator al tehnologiilor de tratare termică a deșeurilor solide menajere, cu 40 de milioane de tone. În China există aproape 50 de astfel de sisteme.

Unele dintre cele mai noi proiecte de incinerare a deșeurilor folosesc tehnologia Stoker, altele optând pentru tehnologii avansate de îmbogățire cu oxigen. Există, de asemenea, peste o sută de proiecte de tratare termică utilizând procese relativ noi, cum ar fi topirea directă, procesul de fluidizare Ebara și gazeificare ThermoSelect. 

Fulcrum BioEnergy Inc. situat în Pleasanton, CA, lucrează în prezent la construirea unei centrale lângă Reno, NV, proiect regăsit sub numele de SierraBiofuels. Compania estimează o producție de aproximativ 10.5 milioane galoane de etanol pe an de la aproximativ 90.000 de tone de deșeuri municipale solide.

O modalitate de valorificare a deșeurilor ce prinde o amploare tot mai mare este obținerea energiei din biomasă, prin valorificarea etanolului, folosind deșeuri celulozice sau organice. În procesul de fermentare, zahărul prezent în deșeuri este transformat în dioxid de carbon și alcool, tehnologie similară cu cea a obținerii vinului.

De asemenea, o altă modalitate folosită cu success la momentul de față este esterificarea, însă cu o rentabilitate ce depinde direct de materia primă utilizată, precum și de toți ceilalți factori relevanți, cum ar fi distanța de transport sau cantitatea de ulei prezent în materia primă.

Gazificarea și piroliza de la nivelul actual pot ajunge la eficiențe de conversie termică (combustibil în gaz) de până la 75%, însă o ardere completă este net superioară în ceea ce privește eficiența conversiei combustibilului. [21]

O stație de incinerare de mare putere în care este generată energie prin valorificarea deșeurilor se găsește în New York, în facilitatea Covanta Essex, înființată în 1990 și aparținând autorităților portuare din New York și New Jersey.

Începând cu anul 2012, au fost prelucrare în medie 2750 de tone de deșeuri municipale solide pe zi, cele două generatoare producând anual aproximativ 500 milioane de kilowatts de energie, suficientă pentru 4500 de locuințe, pe lângă necesarul propriu.

Centrala arde deșeuri menajere de la 22 provincii din Essex și districtul Manhattan, perioada minimă contractată fiind de încă 17 ani de la momentul de față, cu posibilități de extindere de până în anul 2052. Ca parte a acordului, Departamentul de Salubritate al New York-ului va continua să folosească aproximativ 50% din capacitatea de eliminare a fabricii. Mai mult, Covanta a fost de acord să investească 75-100 milioane de $ în modernizări și îmbunătățiri operaționale, inclusiv un sistem de control al emisiilor de particule și un nou sistem de reciclare a deșeurilor feroase și neferoase.

Un alt centru de valorificare a deșeurilor municipale de mare capacitate este incineratorul Edmonton, denumit și London EcoPark, ce produce energie electrică prin arderea deșeurilor londoneze. Demersurile inițiale au fost făcute în jurul anului 1971, prima variantă constând într-o clădire metalică cu un coș de 100m din beton armat.

Fig.1.9 Stația de incinerare din Essex

În prezent, acesta este cel mai mare incinerator din Marea Britanie și folosește deșeuri de la șapte cartiere londoneze. Deșeurile municipale sunt convertite în electricitate, cenușă și reziduuri gazoase strict ținute sub control sub aspectul poluării aerului. Sunt generați 55 MW de electricitate, suficienți pentru a satisface nevoia a 24000 de locuințe.

În 2002 s-a încercat extinderea centrului, operațiuni finalizate însă fără succes. Numeroși activiști ai organizațiilor Greenpeace sau Friends of the Earth au organizat manifestații împotriva centrului, pe motiv că ar emite un cocktail de noxe care ar favoriza apariția cancerului sau astmului. În prezent, centrul este cunoscut sub numele de LondonWaste EcoPark, iar în 2006 a fost deschisă încă un mare centru de compostare a deșeurilor verzi provenite din gospodării. [22]

În Germania există nenumărate centrale de mare putere ce produc energie din deșeuri municipale solide. Principalele caracteristici tehnico-economice ale unora dintre acestea sunt evidențiate în tabelul 1.9.

Tabelul 1.9 Centre de obținere a energiei din deșeuri solide municipale în Germania [22]

1.4.2. Proiecte existente în România

În România, incinerarea deșeurilor în vederea obținerii energiei electrice și termice se află încă în zona teoretică. Deși au existat astfel de proiecte, acestea nu s-au materializat încă.

Cel mai recent caz este cel de la Timișoara, unde în decembrie 2013, la sediul primăriei, a fost semnat contractul de proiectare și execuție a unei centrale de ardere a deșeurilor solide municipale, în valoare de 66 de milioane de euro, cu TVA. Durata de proiectare și execuție a fost stabilită pentru 24 de luni de la data validării contractului, însă la mai bine de un an de la semnarea contractului, lucrările nu începuseră încă. Se speculează faptul că primăria nu ar avea banii necesari pentru a completa capitalul necesar pentru demararea construcției.

Potrivit unui comunicat al primăriei, energia obținută din această centrală va fi folosită în sistemul actual de alimentare al orașului, fiind vândută sistemului energetic național, iar banii obținuți materializându-se într-o subvenție la factura de energie termică. Centrala ar putea asigura 15% din energia termică necesară orașului.

“Proiectul de la Timișoara ar putea incinera o cantitate de circa 240 tone/zi sau 79.000 tone/an de deșeuri municipale sortate. Energia electrică produsă este de aproximativ 48.000 MWh/an, iar energia termică sub formă de abur, de 105.000 Gcal/an”, a declarat, pentru Green Report, Daniela Burnete, directorul Departamentului Inginerie din cadrul Institutului de Studii și Proiectări Energetice (ISPE), care este și proiectantul general pentru această centrală.

Totodată, Daniela Burnete a precizat faptul că instalațiile de valorificare energetică a deșeurilor sunt rentabile în anumite condiții determinate de politicile în domeniu. Un prim argument ar fi faptul că rentabilitatea este dată de politica de prețuri pentru depozitarea efectivă a deșeurilor la gropile de gunoi, și anume atâta timp cât este mai ieftin să se trateze deșeurile mecano-biologic și să se depoziteze la groapă, nu se justifică utilizarea acestora pentru producerea de energie electrică și termică. Un alt avantaj ar fi faptul că rentabilitatea poate fi dată și de schemele de sprijin pentru utilizarea surselor de energie regenerabile pentru producerea de energie electrică în cogenerare de înaltă eficiență. Conform datelor oferite de ISPE, valorile medii ale investiției pentru un MWel (Megawatt electric) sunt de aproximativ trei milioane de euro, iar pentru un MWt (Megawatt termic) de circa un milion de euro. [23]

Un alt oraș din România care cochetează cu idea valorificării deșeurilor municipale este Brașov. Stația de valorificare a deșeurilor va incinera deșeurile provenite din salubrizarea localităților din județul Brașov și va produce energie termică. Stația fi construită pe teritoriul administrativ al comunei Tîrlungeni și va avea o capacitate de 120.000 de tone de deșeuri pe an.

Potrivit vicepreședintelui consiliului județean, stația va fi perfect ecologică și va îndeplini normele de mediu stabilite de Uniunea Europeană pînă în anul 2030, însă nu se știe cu exactitate care va fi soluția tehnică pentru care se va opta pentru transformarea deșeurilor în energie termică. Sistemul include stațiile de transfer, sortare și depozitare existente, construcția unora noi, și construcția unei stații de valorificare energetică.

În județ există în prezent două stații de transfer deșeuri, una la Rîșnov și cealaltă la Prejmer, urmând să fie construite încă trei în Făgăraș, la Victoria și Hoghiz. În plus, două stații temporare de stocare ar urma să fie construite la Predeal și Măieruș. În privința stațiilor de sortare, cele două de la Săcele și Prejmer sunt incluse în sistemul integrat de gestionare a deșeurilor, iar una urmează să fie construită în zona Făgăraș. De asemenea, există o stație de depozitare la Săcele (groapa ecologică Fin Eco) și va mai fi construită încă una în zona Făgăraș. 

Finanțarea proiectului sistemului integrat de gestionare a deșeurilor, cu o valoare de 140 milioane de euro, va fi asigurată deopotrivă din fonduri europene, fonduri guvernamentale, resurse financiare din bugetul județean și investiții private. [24]

ANALIZA PROCESULUI DE ARDERE AL DEȘEURILOR MUNICIPALE

2.1. NORME DE POLUARE, LEGISLAȚIA ȘI PREVEDERILE DIN

DOMENIUL DEȘEURILOR ȘI PROTECȚIEI MEDIULUI.

INSTALAȚII DE EPURARE A GAZELOR DE ARDERE

2.1.1. Norme de poluare, legi și reglementări în Europa și România

România este semnatara tuturor convențiilor internaționale, inclusiv a Agendei 21 adoptată la Conferința de la Rio de Janeiro (1992) și a Programului de Acțiune pentru protecția Mediului în Europa Centrală și de Est adoptat la Conferința ministerială de la Lucerna (1993).

Din anul 1991 s-a înființat în România Ministerul Apelor și Protecției Mediului care cuprinde o structură cu scop de promovare a unui Program Național de Protecția Mediului, gestionarea deșeurilor bucurându-se de o atenție deosebită.

1. Legea Protecției Mediului nr. 137/1995 (modificată în 2000) acordă o responsabilitate deosebită administrației publice locale în domeniul protecției mediului, în mod special în gestionarea deșeurilor.

2. Legea 211/2011 privind regimul deșeurilor, republicată în 2014.

3. Hotărârea Guvernului României nr. 127/1994 privind stabilirea și sancționarea unor contravenții la normele pentru protecția mediului înconjurător, republicată.

4. Ordonanța de urgență a Guvernului nr. 195/2005 privind protecția mediului, aprobată cu modificări și completări prin Legea nr. 265/2006, cu modificările și completările ulterioare;

5. Hotărârii Guvernului nr. 1470/2004 privind aprobarea Strategiei naționale de gestionare a deșeurilor și a Planului național de gestionare a deșeurilor,

6. Hotărârea Guvernului nr. 235/2007 privind gestionarea uleiurilor uzate;

7. Hotărârea Guvernului nr. 1.061/2008 privind transportul deșeurilor periculoase și nepericuloase pe teritoriul României;

8.Ordinul ministrului mediului și gospodăririi apelor și al ministrului integrării europene nr. 1364/1499/2006 de aprobare a planurilor regionale de gestionare a deșeurilor.

9. Ordonanța de urgență nr. 78/2000 (actualizată în 2007) privind regimul deșeurilor. Obiectul acestei ordonanțe îl constituie reglementarea activității de gestionare a deșeurilor în condiții de protecție a sănătății populației și a mediului înconjurător;

10. Legea nr. 6/1991 referitoare la adoptarea "Convenției de la Basel"- privind controlul transportului peste frontiere al deșeurilor periculoase și al eliminării acestora.

În activitatea de reglementare internațională a gestiunii deșeurilor s-au evidențiat, având o contribuție esențială, următoarele instituții și organisme internaționale: Comunitatea Economică Europeană (C.E.E.) devenită Uniunea Europeană (U.E.), Programul Națiunilor Unite pentru Mediu (U.N.E.P.), Organizația pentru Cooperare și Dezvoltare Economică (O.C.D.E) și Organizația Națiunilor Unite pentru Alimentație și Agricultură (F.A.O.).

În anul 2008, la nivel european a fost adoptată o nouă directivă privind deșeurile, respectiv Directiva 2008/98/CE a Parlamentului European și a Consiliului privind deșeurile și de abrogare anumitor directive, publicată în Jurnalul Oficial al Comunităților Europene (JOCE) nr. L 312 din 12 noiembrie 2008, cum ar fi Directiva Consiliului privind eliminarea uleiurilor uzate 75/439/CEE, cu modificările aduse prin Directiva nr. 87/101/CEE, Directiva Consiliului din 12 decembrie 1991 privind deșeurile periculoase nr. 91/689/CEE și Directiva nr. 2006/12/CE a Parlamentului European și a Consiliului din 5 aprilie 2006 privind deșeurile.

O.C.D.E. a adoptat atât unele recomandări cu caracter general (precum Recomandarea din 1976 prin care s-a stabilit strategia politicii globale în materie de gestiune a deșeurilor, stabilindu-se un ansamblu coerent de măsuri privind fabricarea și utilizarea produselor, precum și recuperarea sau eliminarea deșeurilor), cât și unele speciale referitoare la unele produse determinate (Recomandarea din anul 1978 referitoare la recipientele de băuturi sau Recomandarea din 1980 relativă la deșeurile de hârtie).

Programul Națiunilor Unite pentru Mediu, preocupat de ameliorarea și dezvoltarea reglementărilor naționale privind deșeurile și substanțele toxice ori periculoase a elaborat o serie de reglementări cu privire la măsurile ce se impun pentru tratarea, neutralizarea și eliminarea unor asemenea deșeuri ori substanțe.

Prin documentele U.N.E.P. se recomandă, în principal, reducerea producerii de deșeuri în vederea diminuării riscurilor de poluare a mediului

Așadar, aproape toate organismele internaționale specializate își unesc eforturile, oferind comunității internaționale unele elaborări legislative de mare importanță în materie de protecție a mediului, în lipsa cărora lupta pentru menținerea sănătății mediului și a echilibrului ecologic ar fi fost mai dificilă, dacă nu uneori zadarnică.[25]

O lege deosebit de importantă în cazul de față este Legea nr. 278/2013 [26]privind emisiile industriale, ce abrogă și înlocuiește Hotărârea nr. 440/2010 privind stabilirea unor măsuri pentru limitarea emisiilor în aer ale anumitor poluanți proveniți de la instalațiile mari de ardere.

În primul rând, legea interzice operarea fără autorizație integrată de mediu/autorizație de mediu a oricărei instalații sau instalații de ardere, instalații de incinerare a deșeurilor sau instalații de coincinerare, dar și valorile-limită de emisie, parametrii și măsurile tehnice echivalente. În plus, sunt reglementate dispoziții speciale pentru instalațiile de ardere, aplicabile instalațiilor de ardere a căror putere termică nominală totală este mai mare sau egală cu 50 MW, indiferent de tipul de combustibil utilizat, respectiv solid, lichid sau gazos, valori-limită de emisie.

În capitolul IV din lege sunt elaborate dispoziții speciale pentru instalațiile de incinerare a deșeurilor și instalațiile de coincinerare a deșeurilor a căror putere termică nominală totală este mai mare sau egală cu 50 MW, indiferent de tipul de combustibil utilizat, respectiv solid, lichid sau gazos. Prevederile prezentului capitol nu se aplică instalațiilor de gazeificare sau piroliză, în situația în care gazele rezultate în urma acestor tratamente termice a deșeurilor sunt purificate la un asemenea nivel încât, la momentul incinerării, nu mai sunt clasificate ca deșeuri și emisiile rezultate se situează sub nivelul emisiilor rezultate din arderea gazului natural.

În situația în care, pentru tratarea termică a deșeurilor, se aplică alte procese decât oxidarea, cum ar fi piroliza, gazeificarea sau procesul cu plasmă, instalația de incinerare a deșeurilor sau instalația de coincinerare a deșeurilor include atât procesul de tratare termică, cât și procesul de incinerare ulterior. Dacă procesul de coincinerare a deșeurilor are loc astfel încât obiectivul esențial al instalației nu este producerea de energie sau de produse materiale, ci tratarea termică a deșeurilor, instalația este considerată ca o instalație de incinerare a deșeurilor.

În secțiunea a 2-a sunt reglementate condițiile ce trebuiesc îndeplinite în vederea autorizării și controlul emisiilor. Gazele reziduale provenind de la instalațiile de incinerare și coincinerare a deșeurilor trebuie evacuate în mod controlat, printr-un coș de fum, a cărui înălțime este calculată astfel încât emisiile să nu afecteze sănătatea umană și mediul.

Emisiile de poluanți în aer provenind de la instalațiile de incinerare și coincinerare a deșeurilor nu trebuie să depășească valorile-limită de emisie prevăzute în anexele la prezenta lege și să nu aducă atingere prevederilor Legii nr. 104/2011.

În situația în care apele uzate provenite de la tratarea gazelor reziduale sunt epurate în afara instalației de incinerare sau a instalației de coincinerare a deșeurilor, într-o instalație de epurare destinată exclusiv epurării acestui tip de ape uzate, valorile-limită de emisie prevăzute în anexa nr. 6 trebuie aplicate în punctul în care apele uzate sunt evacuate din instalația de epurare.

Instalațiile de incinerare a deșeurilor trebuie să funcționeze astfel încât să se atingă un nivel de incinerare la care conținutul de carbon organic total al zgurii și al cenușii de vatră să fie mai mic de 3% din greutatea în stare uscată a acestora sau pierderea la calcinare să fie mai mică de 5% din greutatea în stare uscată a acestora.

Instalațiile de incinerare a deșeurilor sunt proiectate, echipate, construite și exploatate astfel încât, chiar în condițiile cele mai nefavorabile, după ultima admisie de aer de combustie, gazele rezultate din incinerarea deșeurilor să fie aduse, în mod controlat și omogen, la o temperatură de cel puțin 850°C, timp de cel puțin două secunde.

Fiecare cameră de combustie a unei instalații de incinerare a deșeurilor este echipată cu cel puțin un arzător auxiliar, care pornește automat când temperatura gazelor de combustie, după ultima injectare de aer de combustie, scade sub temperatura de 850°C, respectiv 1.100°C.

 Arzătoarele auxiliare sunt utilizate și în fazele de pornire și de oprire, cu scopul de a asigura, în permanență, temperaturile respective, în timpul fazelor menționate și, de asemenea, atât timp cât în camera de combustie se găsesc deșeuri nearse.

Arzătoarele auxiliare nu pot fi alimentate cu combustibili care ar putea genera emisii mai mari decât cele care ar rezulta în urma arderii gazului lichefiat sau a gazelor naturale, precum și a motorinei, astfel cum este definită la art. 4 lit. a) din Hotărârea Guvernului nr. 470/2007 privind limitarea conținutului de sulf din combustibilii lichizi, cu modificările și completările ulterioare.

Căldura rezultată din instalațiile de incinerare a deșeurilor sau din instalațiile de coincinerare a deșeurilor trebuie recuperată, în măsura în care este posibil.

2.1.2 Instalații de epurare a gazelor de ardere

În Europa, acidifierea se produce, în special, din cauza emisiilor de oxid de azot(32%), oxid de sulf (44%) și, respectiv, de amoniac (24%). Astfel, raportul Agenției Europene pentru Mediu din 1998 arată că “efectele pentru Europa sunt grave și greu de remediat”. Reglementări internaționale importante reclamă controlul acestui tip de emisii conducând astfel la identificarea soluțiilor tehnice și tehnologiilor de depoluare corespunzătoare. Standarde de emisie prevăzute pentru Uniunea Europeană, dar și Japonia și Statele Unite sunt evidențiate în tabelul 2.1.

Tabelul 2.1 Standarde privind emisiile [27]

Standardele privind emisiile sunt importante pentru elaborarea strategiilor de exploatare a aerului, apei și la operarea cu reziduuri, ele fiind folosite în conjuncție cu alte instrumente de reglementare, cum ar fi standardele de calitatea apei și a aerului. Aceste standarde stabilesc rate de emisie admisibilă pe tip de sursă emițătoare (transport,centrale electrice, industrie) și pe tip de agent poluant. În mod uzual, aceste standarde conțin și clauze speciale privind aplicarea lor mai puțin restrictivă la instalațiile de mică capacitate sau la cele suficient de vechi.

Acidifierea este determinată, în principal, de emisiile de oxid de azot și, respectiv, de oxid de sulf, un pericol sporit fiind atunci când cei doi oxizi sunt prezenți simultan. Abordarea procedeelor și instalațiilor destinate neutralizării emisiilor acide se realizează prin gruparea procedurilor de mai sus pe categorii de procedee, spre exemplu, procedee uscate, umede și semiumede, selective și neselective, procedee de reducere catalitică și necatalitică, inclusiv metode de absorbție, oxidare-absorbție, reducere-absorbție.

Aplicațiile acestor procedee constau din instalațiile existente utilizate pe scară largă precum și din scheme de instalații ce constituie, în acest moment, numai o expresie a progreselor prezente în ceea ce privește știinta și tehnologia. Soluțiile originale prezentate fac posibilă o neutralizare eficientă și nu s-a inregistrat până în prezent nici un transfer de agenți poluanți în diverși factori de mediu. Trebuie, de asemenea, menționataă posibilitatea exploatării inclusiv a subprodușilor.

Tehnologile de neutralizare sunt foarte complexe, în special datorită comportamentului specific al oxizilor de azot asa cum rezultă aceștia din procesele termice. Se prezintă o sinteză a metodelor și instalațiilor de punere în aplicare a acestora în scopul reducerii poluării acide, evidențiindu-se acele soluții utilizate în țară.

Procedeele de neutralizare a emisiilor gazoase rezultate din procesele termice industriale pot fi catalitice sau necatalitice, având la bază fenomene de absorbție, adsorbție, descompunere termică sau reducere chimică. Aceste procedee sunt în sistem uscat sau lichid dar toate cuprind o serie de faze diferite din punct de vedere al complexității.

Instalațiile de neutralizare a emisiilor gazoase rezultate din procesele de ardere sunt cunoscute, în general, ca instalații de denoxare (DeNOx)-în cazul oxizilor de azot și, respectiv, ca instalații de desulfurare (DeSO2)-pentru dioxidul de sulf.

Tabelul 2.2 prezintă categoriile de procedee utilizate pentru neutralizarea oxizilor de azot și a oxizilor de sulf rezultați din procesele termice. [27]

Tabelul 2.2 Procedee de neutralizare a oxizilor de azot și a oxizilor de sulf emiși in procese termice

Sursa:S. Nisipeanu, Metode și instalații de neutralizare a poluanților atmosferici acizi, Ed. Libra, București, 2001

O măsură pentru reducerea emisiilor de poluanți este creșterea randamentului de producere a căldurii si energiei electrice. Randamentul depinde de tipul tehnologiei de producere folosite. Cel mai ridicat randament se obține în cazul ciclurilor combinate gaze/abur. 

Randamentul de utilizare a puterii calorifice a cărbunelui poate fi îmbunătățit prin utilizarea pentru termoficare a căldurii evacuate de proces. În acest fel pot fi evitate emisiile datorate încălzirii casnice individuale și poate fi minimizată evacuarea căldurii centralei prin apa de răcire sau prin turnurile de răcire.

Reducerea emisiilor de NOx

Modificările aduse procesului de ardere sunt în strânsă legătură cu înțelegerea mecanismului de formare a emisiei de NOX:

– optimizarea condițiilor de funcționare;

– arderea în două trepte, în care cărbunele este ars în vecinătatea sau sub nivelele de oxigen;

– arzătoare sărace în NOX;

– trepte de combustibil (rearderea -reburning- utilizând alt combustibil);

– recircularea gazelor de ardere.

Fig. 2.1 Schema de principiu pentru reducerea NOx prin procedeu catalitic [27]

Modificările aduse arderii sunt utilizate pe scară largă pentru reducerea a 20-70% din emisia de NOX și se raportează ca fiind componente de cost atât pentru centralele existente cât si pentru cele noi.

Reducerea conținutului de bioxid de sulf din gazele de ardere de la cazanele pe păcură (sau păcură și gaze) se poate face, în principiu, prin următoarele metode:

– prompte (intracombustie);

– târzii (postcombustie);

– hibride (intra + postcombustic).

Metoda promptă de desulfurare a gazelor de ardere constă în injecția de aditiv în focar pentru legarea bioxidului de sulf imediat după formare, iar postcombustia constă în intercalarea unui reactor de activare pe traseul de evacuare a gazelor de ardere.

Elementele de cost asociate fiecărui stadiu al ciclului sunt afectate de majoritatea măsurilor de control al calității mediului.

Astfel, procedura de eliberare a unei licențe sau, mai general, restricțiile de amplasare a unui obiectiv, implică elaborarea de către solicitant a unei documentații cuprinzătoare, de apreciere a impactului ecologic, precum și o prezentare amănunțită a măsurilor de remediere propuse. Cel mai adesea, în stadiul de eliberare a licenței este solicitată și prezentarea unor metode de reabilitare a amplasamentului ulterior dezafectării obiectivului, precum și a măsurilor de imunizare ecologică. Toate acestea pot conduce la costuri suplimentare, atât în stadiul de proiectare, cât și în timpul funcționării.

Reglementările cu caracter ecologic pot solicita instalarea unor echipamente de control a calității mediului, tehnologii de control, specifice activității desfășurate, sau utilizarea celei mai adecvate tehnologii disponibile (best-available-technology). Astfel de măsuri implică investiții pentru tehnologii suplimentare de control al poluării (Desulfurarea Gazelor de Ardere – FDG,Reducere Catalitică Selectivă etc.), pentru schimbarea de echipamente sau chiar de procese tehnologice care conduc la modificarea sau înlocuirea sistemelor existente (arzătoare cu nivel scăzut al emisiilor NOx, pentru cazane pe bază de cărbune sau derivați petrolieri etc.), iar implicațiile în ceea ce privește costurile sunt evidente.

Măsurile de control, cu caracter ecologic, asupra evacuării și depozitării deșeurilor s-au îmbunătățit în ultima perioadă, atât în orientare, cât și în complexitate, iar ca o consecință, operațiile de evacuare a deșeurilor au devenit o componentă importantă în stabilirea costurilor producției pentru o serie întreagă de activități din sfera energiei.

Putem aprecia că, pe viitor, datorită cantităților crescânde de deșeuri care trebuie evacuate, aceste operații vor aveaun impact substanțial asupra prețului resurselor energetice și a tehnologiilor lor de prelucrare.

ARDEREA DEȘEURILOR MUNICIPALE

2.2.1. Generalități

După cum a fost detaliat în capitolul anterior, una din principalele metode de obținere a energiei din deșeuri presupune incinerarea acestora și utilizarea conținutului energetic în vederea producerii energiei electrice sau obținerii de căldură și electricitate, căldura fiind utilizată pentru diferite servicii (încălzire, alimentare cu apă caldă).

Consumul mondial de energie a crescut semnificativ și se prevede că va continua să crească până în 2020, cu o rată anuală de 2 %. Daca rata globală de creștere a consumului de energie, de aproximativ 2 % pe an, continuă, se prevede o dublare a consumului de energie pâna în 2035 și o triplare a acestuia pâna în 2055, față de anul 1998.

Producerea energiei electrice și/sau termice se realizează în instalații grupate în spațiu, a căror caracteristică principală o constituie centralizarea, astfel încât se poate spune că producerea energiei (electrice și/sau termice) are loc în centrale.

O centrală termoelectrică este un ansamblu sistemic de echipamente și instalații care realizează un lanț (o serie) de transformări energetice, în scopul obținerii energiei electrice și termice. Criteriul principal de clasificare îl constituie felul energiei primare, care stă la baza lanțului de transformări. În tabelul 2.3 este prezentată această clasificare, cu indicarea notațiilor convenționale adoptate în țara noastră pentru aceste centrale.

Tabelul 2.3 Clasificarea centralelor termoelectrice dupa criteriul energiei primare [28]

Centralele clasice cu turbine cu gaze produc reziduuri asociate arderii gazului și provenite din întreținerea și reparația echipamentelor. Reziduurile (denumite de multe ori și deșeuri) produse datorită generării de energie electrică și termică depind de sursa primară de energie (tipul de combustibil utilizat sau energia regenerabilă) și energia produsă de acestea.

Se numeste ardere, procesul chimic de combinare a două substanțe, combustibil și oxidant, care are loc cu degajare de căldură, provocând o creștere bruscă a temperaturii amestecului substanțelor aflate în reacție (deosebindu-se astfel de arderea lentă).

Oxidant poate fi orice substanță care conține și care poate degaja atomi de oxigen în stare liberă. Prin noțiunea de combustibil fosil se înțelege orice substanță care conține și poate degaja liber elemente carburante în stare atomică. [28]

Arderea propriu-zisă

Procesul de ardere a combustibilului se desfășoară organizat, în focarul generatorului de abur, camera de ardere a turbinei cu gaze, cilindrul motorului cu ardere internă.

Materiile combustibile conțin următoarele elemente simple: elemente combustibile (carbon, hidrogen), elemente ce întrețin arderea (oxigen), surse de poluare (clor, sulf) și element neutru ce poate deveni sursă de poluare (azotul). În procesul de combustie, acestea se vor combina, rezultând CO, CO2, H2O sub formă de vapori, SO2, SO3, NO, NO2.

Arderea este, în esență, un proces de oxidare, a cărui complexitate nu poate fi descrisă prin ecuații simple. Calculul cantităților de aer necesare arderii și al produselor de ardere se face cu relații de bilanț material, pe baza ecuațiilor chimice stoechiometrice globale.

Astfel, avem:

Arderea completă a carbonului: (2.1)

(2.2)

sau

(2.3)

Dar 1kmol (orice substanță) are un volum normal de 22,4 l

(2.4)

Arderea incompletă a carbonului: (2.5)

(2.6)

(2.7)

sau

(2.8)

Arderea combustibilului: (2.9)

(2.10)

sau

(2.11)

sau

(2.12)

Arderea sulfului: (S + O2 = SO2) (2.13)

(2.14)

(2.15)

sau

(2.16)

Pentru un combustibil cu compoziția la starea inițială dată de ecuația:

, (2.17)

participațiile gravimetrice ale componentelor sunt:

, , … etc. (2.18)

Deci pentru arderea teoretică, cu masă sau volum de combustibil, rezultă ecuațiile:

(2.19)

sau

(2.20)

sau volumetric:

(2.21)

sau

(2.22)

Oxigenul necesar arderii teoretice: (indice◦)

(2.23)

(2.24)

(2.25)

(2.26)

Sau exprimat volumetric:

(2.27)

(2.28)

(2.29)

2.30)

În mod analog, cantitatea teoretică de gaze de ardere rezultată din ardere exprimată gravimetric este următoarea:

(2.31)

(2.32)

(2.33)

(2.34)

Sau exprimat volumetric sunt:

(2.35)

(2.36)

(2.37)

(2.38)

Cantitatea de oxigen (O2◦) necesar arderii rezultă din arderea teoretică completă (deci fără obținere de CO) a fiecărui element:

(2.39)

Sau volumetric

(2.40)

Considerând compoziția volumetrică a aerului ca (21%O2 si 79%N2) sau gravimetric (23,2%O2 si 76,8%N2) atunci rezultă volumul și respectiv masa de aer uscat teoretic (Va◦ sau Ga◦) necesar arderii unității de volum sau de masă a combustibilului:

(2.41)

Sau gravimetric:

(2.42)

Notând constanta combustibilului care se mai numește – carbonul redus – rezultă relația generală:

(2.43)

Gravimetric rezultă:

(2.44)

Având în vedere relația 2.17 și folosind pentru studiu date referitoare la deșeurile din Regiunea Centru (Tabelul 2.4), se va calcula conținutul procentual de carbon, hidrogen, oxigen, azot, clor, sulf, umiditate și cenușă prezente în compoziția deșeurilor menajere, înmulțind ponderea aferentă fiecărui material cu conținutul procentual al fiecărei componente chimice (Tabelul 2.5), folosind o relație de forma:

Tabelul 2.4 Compoziția estimată a deșeurilor din regiunea Centru [29]

(2.45)

Similar se procedează și pentru celelalte componente chimice.

Tabelul 2.5 Analiza elementară a deșeurilor menajere [7]

Astfel, se obține:

Valorile obținute se regăsesc în tabelul 2.6

Tabelul 2.6 Compoziția elementară la starea inițială

Înlocuind în relația (2.17), se obține:

(Procentajul de Cl l-am inserat în procentajul deșeurilor anaerobe).

Puterea calorifică inferioară, Hi, a combustibilului solid, având compoziția chimică prezentată mai sus, se poate calcula cu relația:

În continuare, înlocuind în relația 2.43 și 2.44, se obține volumul și respectiv masa de aer uscat teoretic (Va◦ sau Ga◦) necesar arderii unității de volum sau de masă a combustibilului:

Având în vedere umiditatea absolută a aerului de ardere x(g/kg aer uscat) rezultă masa de aer umed teoretic necesară arderii:

Pentru x10 gr/kgaer uscat

Înlocuind cu valoarea lui obținută în relația 2.56, se obține:

Volumetric, pentru și volumul specific al vaporilor de apă 1.244/kg rezultă:

Volumul de aer umed teoretic :

Înlocuind cu valoarea lui obținută în relația 2.55, se obține volumul de aer umed teoretic:

Considerând excesul de aer α ca raport între volumul de aer real necesar arderii și acel teoretic :

Valorile excesului de aer la arzător depind de natura combustibilului:

α=1,05…1,15-combustibili gazoși;

α=1,01÷1,1-combustibili lichizi;

α=1,1…1,3-combustibili solizi fosili și biomasă;

α=1,3…1,8 – deșeuri greu divizabile, eterogene sau cu umiditate ridicată (>30%).

Pentru α=1.5, se obține:

Volumul real de aer uscat, respectiv umed, necesar combustibilului:

Masa de aer necesar arderii este:

Volumul de gaze biatomice teoretic ():

deci:

Sau gravimetric:

Volumul de oxid de carbon teoretic în cazul arderii incomplete:

sau:

Volumul de gaze biatomice (azot) teoretic:

sau:

Masa și volumul teoretic al vaporilor de apă:

sau:

Volumul teoretic al gazelor de ardere (Vºga):

Volumul real al gazelor de ardere uscate Vgu:

Volumul real al gazelor de ardere Vga:

Pentru un studiu comparativ, se vor relua calculele pentru un cărbune energetic uzual din regiunea Horezu, zonă renumită pentru exploatarea lignitului, cărbune a cărui entalpie atinge valori puțin sub 8000KJ/Kg. [28]

Ulterior, calculul va fi efectuat pentru folosirea ca și combustibil a biomasei obținute din paie și știuleți de porumb. Compozițiile elementare pentru cele două tipuri de combustibili sunt reprezentate în tabelul 2.7.

Tabelul 2.7 Compoziția elementară la stare inițială a unui cărbune uzual și a biomasei [28], [29]

* Calculul se face pentru o valoare a lui α de 1,17 în cazul arderii cărbunelui și 1,1 în cazul biomasei

Tabelul 2.7 Studiu comparativ al arderii pentru diverși combustibili solizi

Din tabelul 2.7. reiese faptul că în cazul arderii deșeurilor, volumul și masa de aer necesar arderii sunt mai mari decât în cazul arderii unui cărbune uzual. Sensibil mai mari sunt și cantitățile de noxe degajate în urma arderii. În același timp însă, valorile obținute pentru masa și volumul gazelor de ardere sunt mult mai ridicate. În ceea ce privește arderea biomasei, atât cantitatea de aer necesar arderii, cât și noxele și gazele de ardere rezultate au valori ridicate.

În figurile 2.2 și 2.3 sunt reprezentate volumul, respectiv cantitatea de gaze de ardere rezultate în urma arderii a 1 kg combustibil.

F

ig. 2.2. Volumul de ardere rezultat în urma arderii a 1 kg combustibil

Fig. 2.3. Cantitatea de gaze de ardere rezultate în urma arderii a 1 kg combustibil

Ulterior, în figurile 2.4 și 2.5 este prezentat comparativ volumul real al gazelor de ardere (uscate), respectiv cantitatea de gaze de ardere, pentru toate cele trei tipuri de combustibili solizi.

Fig. 2.4. Volumul real al gazelor de ardere (uscate) rezultate în urma arderii

Fig. 2.5. Cantitatea de gaze de ardere rezultate în urma arderii a 1 kg combustibil

Faptul că aproximativ aceeași cantitate de energie poate fi obținută atât din deșeuri, cât și din cărbune, însă cu nenumărate avantaje, atât în ceea ce privește gazele rezultate, cât și în ceea ce privește gestionarea deșeurilor, nu poate fi decât un real motiv pentru a pune bazele inițierii unui proiect de valorificare a potențialului energetic al deșeurilor urbane într-o centrală, utilizând instalații de turbine cu abur.

Calculul disponibilului de energie sub formă de deșeuri municipale pentru un amplasament țintă

REGIUNEA DE DEZVOLTARE „CENTRU”

Situată în partea centrală a României, în interiorul arcului carpatic, pe cursurile superioare și mijlocii ale Mureșului și Oltului, Regiunea de Dezvoltare „CENTRU” este formată din 6 județe: Alba, Brașov, Covasna, Harghita, Mureș și Sibiu și are o suprafață totală de 34.100 km2, ceea ce reprezintă 14,3% din teritoriul țării. [30]

Prin poziția sa geografică, realizează conexiuni cu 6 din celelalte 7 regiuni de dezvoltare, situându-se la distanțe aproximativ egale de punctele de trecere a frontierelor.

Cu o populație de 2.360.805 locuitori în anul 2013, ce reprezintă 11,6 % din populația României, Regiunea Centru se plasează pe locul al 5-lea între cele 8 regiuni de dezvoltare. Nivelul de urbanizare este ridicat, în anul 2003 ponderea populației urbane fiind de 59,2 %. În județul Brașov peste 75 % din populație trăiește în mediul urban, în timp ce în județul Harghita numai 44%. [31]

Fig. 3.1 Localizarea depozitelor de deșeuri în Regiunea de dezvoltare 7 Centru

Colectarea deșeurilor municipale este responsabilitatea municipalităților, atât direct (prin serviciile de specialitate din cadrul Consiliilor Locale), cât și indirect (prin demararea unor contracte cu firme specializate în servicii de salubrizare). În Figura 3.1 sunt reprezentate depozitele de deșeuri conforme sau care urmează să fie sistate în perioada următoare. [32]

În figura 3.2 se prezintă variația indicatorilor de generare a deșeurilor municipale în perioada 1999-2003, indicatori calculați pe baza datelor din proiectul de Plan Regional de Gestionare a Deșeurilor (denumit în continuare PRGD), varianta august 2006, elaborat de Agenția Regională pentru Protecția Mediului (ARPM) Sibiu.

Fig. 3.2 Indicatori de generare a deșeurilor municipale 1999 – 2003 [30]

Indicatorii de generare prezintă o variație neuniformă, o posibilă explicație fiind faptul că raportările s-au bazat pe estimări și nu pe cântăriri. Valoarea indicatorului de generare de deșeuri municipale la nivelul Regiunii 7 Centru este mult mai mare decât media la nivel național (364 kg/locuitor conform raport EUROSTAT).

Tabelul 3.1 Cantitățile de deșeuri generate în anul 2006 pe județe și la nivel de regiune [30]

Datele referitoare la generarea deșeurilor municipale în anul 2003 în Regiunea 7 Centru prezentate în proiectul PRGD varianta august 2006 (Tabelul 3.1) au fost analizate în cadrul grupurilor de lucru, luând în considerare indicatorii statistici de generare a deșeurilor municipale, precum și informațiile furnizate de către agențiile județene pentru protecția mediului și operatorii de depozite conforme din regiune. La estimarea cantităților au fost luate în considerare și datele privind generarea deșeurilor raportate în anii 2004 și 2005. Cantitățile de deșeuri menajere de la populație (colectate și necolectate) s-au determinat pe baza ariei de acoperire și a indicilor de generare de 1 kg/locuitor x zi în mediul urban și 0,7 kg/locuitor x zi în mediul rural. Cantitățile au fost aproximate la 1.000 t.

Pe baza datelor estimate referitoare la cantitatea de deșeuri și a indicatorilor de generare a fost calculată proiecția de generare a deșeurilor municipale pentru perioada de planificare 2013 – 2018 (Tabelul 3.2). [34]

Tabelul 3.2 Proiecția de generare a deșeurilor municipale [34]

* în deșeurile municipale sunt incluse și deșeurile de ambalaje colectate de către operatorii de salubrizare împreună cu deșeurile menajere și asimilabile celor menajere

În anul 2005, la nivelul Regiunii 7 Centru existau un număr de 80 agenți de salubritate, din care 50 % reprezintă compartimentele specializate din cadrul administrației publice locale. Mai târziu, în 2011, gradul de acoperire cu servicii de salubritate în Regiunea 7 Centru a fost de aproximativ 81 %, cantitatea de deșeuri municipale colectată prin intermediul serviciilor proprii specializate ale primăriilor sau ale firmelor de salubritate fiind de 5,085 milioane tone. [33]

Față de cantitatea de deșeuri municipale generată în anul 2010, în 2011 aceasta a înregistrat o scădere de aproximativ 12,6%. Pe fondul crizei economice, consumul mai redus a dus la generarea unei cantități mai mici de deșeuri atât de la populație cât și din sectorul economic. Din cantitatea totală de deșeuri municipale colectată, 76,6% este reprezentată de deșeurile menajere și asimilabile. [31]

Din tabelele identificate mai sus reiese o cantitate de deșeuri municipale disponibile în regiunea Centru de 1.114.801 tone în cazul anului 2015.

Așadar, cantitatea disponibilă de deșeuri pentru amplasamentul țintă ales este de 1.114.801:365=3054,25 tone/zi.

Astfel, ținând cont de cantitatea și volumul de gaze necesare/rezultate în urma arderii unui kg de deșeuri, reprezentate în tabelul 2.7, se vor putea identifica valorile obținute în cazul cantității totale de deșeuri din amplasamentul țintă stabilit.

Rezultatele obținute sunt reprezentate în figurile 3.3 și 3.4.

Fig. 3.3 Volumul total de gaze de ardere rezultate în urma arderii deșeurilor din regiunea Centru

Fig. 3.4 Volumul și cantitatea totală de gaze de ardere rezultate în urma arderii deșeurilor din amplasamentul Brașov

În prezent, una dintre metodele de tratare a deșeurilor municipale colectate în amestec (deșeuri reziduale) în vederea reducerii cantității depozitate este incinerarea cu valorificare energetică. Aceasta poate fi o opțiune:

în cazul orașelor/aglomerărilor cu un număr mare de locuitori;

acolo unde există un sistem de încălzire termică centralizat bine dezvoltat, care să poată absorbi căldura generată de incinerator;

atunci când există disponibile fonduri pentru aceste costuri de investiții mari și când gradul de suportabilitate este asigurat.

Deși costurile de investiții și costurile de operare în cazul incinerării cu valorificare energetică sunt mai mari decât în cazul celorlalte metode de tratare a deșeurilor reziduale (ex. tratarea mecano-biologică), totuși opțiunea incinerării cu valorificare energetică este reținută ca opțiune tehnică ce trebuie luată în considerare în vederea atingerii țintei din anul 2016. [34]

Soluție pentru conversia în energie. Bilanț energetic

4.1 TURBINA CU ABUR

Generatoarele de abur reprezintă un complex de instalații care transformă energia chimică a combustibililor sau alte forme de energie (electrică sau nucleară) în căldură, sub formă de apă caldă, apă fierbinte, abur saturat sau abur supraîncalzit, pe care îl furnizează turbinei de abur, mașina termică ce antrenează la rândul ei generatorul electric. În acest fel, se ajunge de la energia termică produsǎ prin arderea combustibililor, la lucru mecanic produs la arborele turbinei, iar în final la energie electrică produsă de generatorul electric însoțită de o oarecare cantitate de energie termică, având drept suport fizic abur de parametri mai scăzuți, utilizat în rețeaua de termoficare sau pentru alte utilități. [36]

O turbină(Fig.4.1) este formată din una sau mai multe trepte, fiecare având în compunere:

• o parte statorică, constituită dintr-un șir de canale fixe numite ajutaje;

• un arbore (rotor) pe care sunt dispuse palete.

Fig.4.1 Elementele unei trepte

D-diafragmă, A-ajutaj, P-paletă

Atât ajutajele, cât și paletele, se fixează pe piese-suport. Pereții dintre ajutaje se fixează pe plăci circulare numite diafragme, care fac parte integrantă din statorul turbinei. Paletele se montează pe discuri sau pe tamburi, care la rândul lor se fixează pe arborele turbinei.

După direcția de curgere a aburului, treptele pot fi:

• axiale, când aburul circulă paralel cu axul de rotație al turbinei;

• radiale, când aburul circulă perpendicular pe ax;

• diagonale, când aburul circulă oblic față de ax.

În ajutaje, energia termică a aburului este transformată în energie cinetică. Are loc un proces de destindere (scădere a presiunii) prin care aburul își mărește viteza.

În palete pot avea loc două categorii de procese (figura 4.2):

• energia cinetică a aburului este transformată în lucru mecanic.

• o parte din energia termică a aburului este transformată în energie cinetică (are loc un proces de destindere). În acest mod, energia aburului este transferată paletelor, asigurând antrenarea rotorului.

Fig. 4.2 Procese din treapta de turbină [36]

Căderile de entalpie prelucrate de o turbină sunt deosebit de mari, de ordinul 1000….1500 kJ/kg. Este necesară transformarea treptată a energiei aburului în lucru mecanic în mai multe trepte. O turbină cu abur, în configurația ei cea mai simplă, cuprinde: o parte rotorică formată dintr-un arbore pe care sunt fixate paletele prin intermediul unor discuri și o parte statorică (carcasa) pe care sunt fixați pereții ajutajelor prin intermediul unor diafragme. Carcasa are două părți: inferioară, respectiv superioară. Admisia aburului se efectuează pe la un capăt al turbinei. Aburul se destinde succesiv în treptele turbinei și apoi este evacuat pe la celălalt capăt.

Fig. 4.3 Vederea unei turbine cu abur fără carcasă superioară [36]

Destinderea aburului în turbină se efectuează cu scădere de presiune, respectiv cu creștere de volum specific. Va rezulta o creștere a debitului volumetric de abur în lungul turbinei și implicit o creștere a secțiunii de trecere prin ajutaje și palete. Această creștere de secțiune se obține prin mărirea atât a diametrului la care sunt amplasate ajutajele și paletele, cât și a înălțimii acestora. Efectul este o formă evazată a turbinei. Considerente legate de dimensiunea maximă pe care o pot avea paletele aferente ultimei trepte impun pentru unitățile de mare putere realizarea părții de joasă presiune cu mai multe fluxuri în paralel.

Clasificarea turbinelor cu abur.

Din punct de vedere funcțional turbinele cu abur se pot clasifica după cum urmează:

• În funcție de modul de producere a forței în palete:

– Turbine cu acțiune;

– Turbine cu reacțiune;

– Turbine cu reacțiune redusă.

• În funcție de parametrii aburului la intrarea în turbină:

– Turbine cu abur saturat (întâlnite îndeosebi la centralele nuclearoelectrice);

– Turbine cu abur supraîncălzit.

• În funcție de destinație:

– Turbine destinate pentru antrenări mecanice. Lucrul mecanic produs de turbină este utilizat pentru antrenarea unor pompe, compresoare, etc.

– Turbine cu abur energetice, care sunt utilizate în centralele electrice.

• În funcție de efectele utile produse turbinele energetice pot fi:

– Turbine de condensație pură: energia aburului este folosită exclusiv pentru producerea de lucru mecanic.

– Turbine de cogenerare: o parte din abur este extras de la prizele turbinei și este utilizat pentru alimentarea unui consumator termic. Efectele utile sunt atât lucrul mecanic dezvoltat prin destinderea aburului, cât și energia termică livrată către consumator.

• În funcție de presiunea aburului la ieșirea din turbină:

– De condensație: pe< 0,15 bar;

– Cu eșapare în atmosferă: pe= 1…1,2 bar;

– Cu vid înrăutățit: pe=0,7…1 bar;

– Cu contrapresiune: pe > patmosferica .

În România, în centrale termoelectrice se folosesc turbine de condensație pură și cu condensație și prize de cogenerare, cu puteri între 50-330 KW, presiune abur la intrare de 127 sau 188 bar și o temperatură a aburului la intrare de peste 500 ºC.

Exemple:

AC 3: turbină cu abur de 34 bar, 435 °C, cu condensație, putere 3 MW.

F1C 330: turbină cu abur de 182 bar, 535 °C, cu o supraîncălzire intermediară, cu condensație, putere 330 MW.

AKP 3: turbină cu abur de 34 bar, 435 °C, cu contrapresiune la 3 bar, putere 3 MW.

DSL 50: turbină cu abur de 127 bar, 565 °C, cu două prize reglabile, la 11…13 bar și 1,2…2,5 bar, putere 50 MW. A

KSR 6: turbină cu abur de 34 bar, 435 °C, cu contrapresiune la 6 bar (litera K asociată cu litera R) și priză reglabilă la 11 bar (litera S).

O centrală similară vom lua în calcul și în cadrul proiectului nostru. [38]

4.2 DIAGRAMA ENTALPIE-TEMPERATURĂ A GAZELOR DE ARDERE

Încǎlzirea și rǎcirea gazelor de ardere în focarul și în canalul de gaze ale generatoarelor de abur, cu unele excepții, are loc la presiune practic constantǎ, aproximativ egalǎ cu presiunea atmosfericǎ. Din acest motiv, în calculele termice ale agregatelor de cazan, cǎldura schimbatǎ între fluidul cald, gazele de ardere și fluidul rece, (aer, apǎ, abur) reprezintǎ de fapt variația de entalpie. Ca urmare, pentru proiectarea generatoarelor de abur și pentru prelucrarea rezultatelor obținute din încercarea lor, este necesar sǎ se cunoascǎ entalpia produselor arderii, respectiv sǎ se traseze diagrama Iga(t,λ).

La determinarea entalpiilor se utilizeazǎ cǎldurile specifice medii la presiune constantǎ raportate la unitatea de volum [kJ/m3N] în cazul aerului și a gazelor de ardere sau la unitatea de masǎ, [kJ/kg], în cazul cenușii și a zgurei.

Diagrama i-t se determină pentru fiecare combustibil pe baza analizei gazelor de ardere si compoziției elementare a combustibilului. Diagrama servește pentru determinarea potențialului energetic recuperabil din gazele de ardere, în special prin schimb de caldură convectiv. Pentru calculul entalpiei (cantității de energie specifică unității de volum/masa) unui gaz sunt necesare cunoașterea volumului de gaz, căldurii specifice (corespunzătoare temperaturii gazului) și a temperaturii procesului. [38]

Volumul real al gazelor de ardere – la arderea completă:

(4.1)

Entalpiile componentelor sunt:

(kJ/kgcomb)

(kJ/kgcomb) (4.2)

(kJ/kgcomb)
Înlocuind valorile volumului real al gazelor de ardere și considerând căldurile specifice la presiune constantă, rezultă: [37]

Notând:, -cenușa antrenată, (4.4)

rezultă : (kJ/Nm3) (4.5)

Dând valori temperaturii într-un interval propriu fiecărui proces industrial specific (de exemplu 500C– 1500C) se trasează curbele pentru diverse valori ale coeficientului de exces de aer α , între 1,1 și 1,8. [37]

Fig. 4.4. Entalpiile produselor de ardere

4.3 ANALIZA ENERGETICĂ A GENERATORULUI DE ABUR

În urma calculelor efectuate în capitolul anterior, reiese faptul că pentru amplasamentul țintă ales, cantitatea disponibilă de deșeuri este de 381,91 tone/zi.

Debitul de deșeu disponibil, pe oră, are valoarea:

(4.7)

Sau, exprimat în kg/s:

(4.8)

Ținând cont de puterea calorică inferioară obținută pentru deșeul ales, și anume:

(4.9)

Rezultă puterea termică ce poate fi obținută prin arderea deșeurilor:

(4.10)

Sau, exprimată în kW:

Cu valorile astfel obținute, se poate calcula puterea la bornele generatorului, pentru deșeul din amplasamentul țintă ales:

(4.11)

pentru randamentul

Considerând ,

Pentru randamentul global al centralei și entalpia cărbunelui , rezultă debitul de cărbune:

Sau, în tone/oră:

Cu valorile astfel obținute se poate relua calculul arderii de la subcapitolul 2.2.2, rezultând valorile din tabelul 4.1., pentru cantitatea disponibilă de deșeu pentru amplasamentul țintă din zona Brașov, respectiv cărbune uzual (lignit).

Tabelul 4.1 Studiu comparativ al arderii pentru deșeuri municipale și cărbune uzual

Fig. 4.5 Volumul de gaze de ardere rezultate în urma arderii deșeurilor/cărbunelui, într-o oră

Fig. 4.5 Volumul și cantitatea de gaze de ardere rezultate în urma arderii deșeurilor/cărbunelui, într-o oră

IMPACTUL ASUPRA MEDIULUI (ESTIMAREA FLUXURILOR DE EMISII POLUANTE)

Transformarea energiei combustibililor fosili în energie utilă este însoțită întotdeauna de modificarea stării materiei, cu eliberarea de componente nocive având efect negativ asupra mediului. Dimensiunea poluării depinde de combustibilul utilizat pentru generarea energiei electrice pe de o parte, precum și de modalitățile de ardere a combustibililor, pe de altă parte

În Tabelul 5.1 sunt prezentați principalii poluanți atmosferici rezultați din arderea combustibililor fosili. Dintre emisiile de poluanți evacuate la coșurile de fum ale centralelor termoelectrice, o importanță deosebită din punctul de vedere al protecției mediului înconjurător, o prezintă emisiile de pulberi-cenușă zburătoare (cu efecte la scară locală), emisiile de SO2 și NOx (cu efecte sinergice la scară regională) și emisiile de CO2 (cu efecte la scară globală) care sunt urmărite în mod special. În norme sunt prevăzute limitele maxime admisibile pentru concentrațiile acestor trei poluanți în gazele de ardere evacuate în atmosferă.

Factorul de emisie reprezintă cantitatea de poluant evacuată în atmosferă, raportată la unitatea de căldură introdusă odată cu combustibilul în cazan. [38]

(5.2)

Calculul emisiei de bioxid de carbon (CO2 )

unde mCO2 – masa moleculară a CO2 = 44. mC – masa moleculară a C = 12. C – conținutul de carbon al combustibilului, determinat ca valoare medie, pe baza analizei chimice elementare pe loturi și exprimat în procente de masă (%).

Calculul emisiei de bioxid de sulf (SO2 )

Se efectuează cu formula:

unde eSO2 – factorul de emisie pentru SO2 [kg/kJ] mSO2 – masa moleculară a SO2 = 64. mS – masa moleculară a S = 32. S – conținutul de sulf al combustibilului, determinat ca valoare medie, pe baza analizei chimice elementare pe loturi și exprimat în procente de masă (%). r – gradul de reținere a sulfului în zgură și cenușă (se consideră 0,9).

Calculul emisiei de oxizi de NOx

Pentru acest poluant se utilizează factori de emisie rezultați din măsurători, la care s-a aplicat corecția de oxigen, cu mențiunea că valorile sunt comparabile cu cele utilizate în țările Comunității Europene: ENOx = B . Hi . eNox

Valorile limită ale emisiilor de NOx, în [mgNO2/m3], la o centrală cu puterea termică mai mare de 50MW, pentru un combustibil solid, este de 715 mgNO2/m3 (valoarea medie este de 650 mgNO2/m3). Valorile sunt pentru 273K; 1bar; NOx= NO +N2 exprimat în NO2; 3%O2 pentru combustibil lichid și gazos, 6%O2 pentru combustibil solid.

Reducerea nivelului de noxe

Emisiile cele mai importante în aer, provenite din arderea combustibililor fosili, sunt SO2, NOX, CO, pulberile si gazele de seră, precum CO2. Alte substanțe precum metalele grele, acidul fluorhidric, compusii halogenați, hidrocarburile nearse, compușii organici volatili fără metan și dioxinele sunt emise în cantități mai mici însă pot avea influență semnificativă asupra mediului datorită toxicității și persistenței lor.

Există multe procese și o varietate de echipamente și tehnici care pot fi folosite la reducerea emisiilor din instalațiile de ardere pentru producerea de energie. Un mare număr de tehnici sunt comune pentru cele mai multe instalații de ardere a combustibililor fosili, care pot fi folosite și în cazul de față, pentru arderea deșeurilor.

Reducerea emisiilor din instalațiile mari de ardere poate fi realizată pe diferite căi, dar în general măsurile pot fi împărțite în patru categorii, și anume:

Măsuri primare (în amonte de instalația de ardere);

Măsuri secundare (în cadrul procesului de ardere);

Măsuri terțiare (între instalația de ardere și dispozitivul de evacuare în mediu);

Măsuri secundare (la evacuarea în mediu).

CONCLUZII

BIBLIOGRAFIE