|
Aktualności
|
|
Informacje
Numery
Numer 06/2004
Woda o parametrach nadkrytycznych usuwa wszystkie zanieczyszczenia. Energetyka dla chemii i ekologii
|
|
Piotr Olszowiec, na podstawie artykułu S. Minett „Supercritical water oxidation presented as alternative to incineration”, Water World, 3/2004.
Bezpieczna neutralizacja odpadów przemysłowych i komunalnych staje się coraz poważniejszym problemem na całym świecie. Stosowane metody nie zapewniają skutecznej eliminacji wszystkich zanieczyszczeń powstających w wyniku działalności gospodarczej człowieka. Zupełnie nowe perspektywy w tym zakresie otwiera technologia tzw. utleniania nadkrytycznej wody, określana skrótem SCWO (ang. supercritical water oxidation).
|
Metoda opracowana przez szwedzką firmę Chematur Engineering AB umożliwia nadzwyczaj efektywne usuwanie składników organicznych ciekłych odpadów (99,99 proc.), zaś pozostałości nieorganiczne nie wykazują szkodliwości charakterystycznej dla produktów spalania paliw węglowodorowych. Proces ten jest szczególnie przydatny dla przeróbki ścieków pochodzących ze źródeł komunalnych oraz z wielu gałęzi przemysłu, m.in. papierniczego i farmaceutycznego.
Podstawą nowej technologii zapożyczonej z energetyki bazującej na parze o parametrach nadkrytycznych jest wykorzystanie niezwykłych własności fizyko-chemicznych wody w jej fazie nadkrytycznej. W ekstremalnych warunkach fizycznych przy ciśnieniu ponad 221 barów i temperaturze powyżej 374 st. C woda osiąga swój „czwarty” - obok stałego, ciekłego i lotnego - stan skupienia charakteryzujący się gęstością mniejszą niż dla cieczy, lepkością jak dla pary i dyfuzyjnością pośrednią dla obu tych stanów. Jednocześnie rozpuszczalność gazów i związków organicznych wzrasta do 100 proc., podczas gdy substancje nieorganiczne stają się praktycznie nierozpuszczalne.
Te szczególne własności były znane fizykom od dawna; badania nad ich praktycznym wykorzystaniem rozpoczęły się w latach 70. XX w. Dodanie tlenu do wody w fazie nadkrytycznej pozwala na uzyskanie jednolitej mieszaniny, w której reakcje chemiczne utleniania zachodzą z maksymalną, nieosiągalną w innych układach szybkością. Dzięki temu czas przebywania zanieczyszczeń w reaktorze, niezbędny dla ich całkowitego rozkładu, skraca się do zaledwie ok. jednej minuty. Zwykłe spalanie substancji również stanowi proces utleniania lecz wykazuje istotne niedogodności, jedną z których jest właściwość określana jako „niezupełne spalanie”. Pozostałe zanieczyszczenia gazowe, takie jak tlenki siarki, azotu czy dioksyny, wymagają skomplikowanego usuwania ze strumienia spalin. Tymczasem technologia SCWO zapewnia pełną eliminację wszystkich szkodliwych związków, w szczególności dzięki znacznie niższej temperaturze reakcji unika się powstawania wspomnianych tlenków azotu.
W odróżnieniu od tradycyjnego spalania technologia ta jest realizowana w zamkniętym układzie; jej wyjściowe produkty są usuwane przy temperaturze i ciśnieniu zbliżonych do atmosferycznego. Najważniejszą zaletą jest fakt, że zawierając głównie wodę, azot i dwutlenek węgla produkty te nie wymagają kosztownego i kłopotliwego oczyszczania. Z kolei organiczne i nieorganiczne halogeny ulegają zamianie na odpowiadające im kwasy, a związki siarki na kwas siarkowy, które można łatwo wydzielić. Metale ciężkie po utlenieniu tworzą z innymi stałymi pozostałościami popiół nadający się do wykorzystania w budownictwie. Podobnie jak spalanie, proces utleniania nadkrytycznej wody podtrzymuje się sam dzięki wydzielanemu ciepłu. Jednak nowa technologia wymaga kilkukrotnie mniejszej ilości substratu dla kontynuacji reakcji. Dlatego też umożliwia ona znaczne oszczędności paliwa w porównaniu ze spalaniem odpadów.
Proces utleniania nadkrytycznej wody przypomina stosowaną od dawna metodę „mokrego powietrza”. Ta ostatnia działa w temperaturze do 300 st. C i ciśnieniu ok. 200 barów, czyli przy parametrach niższych od krytycznych. Z tego powodu zapewnia sprawność rozkładu węglowodorów jedynie w 70 proc., nawet przy czasie oddziaływania do 6 godzin. Dłuższy czas reakcji powoduje z kolei konieczność prawie 100-krotnego zwiększenia wymiarów reaktora w porównaniu z układem SCWO. Wcześniejsze stosowanie procesu „mokrego powietrza” ułatwiło obecne wdrażanie nowej technologii. Pracownicy w zakładach, gdzie nie występują urządzenia o tak wysokich ciśnieniach, odczuwają zrozumiałe, choć nie w pełni uzasadnione obawy. W rzeczywistości w procesie SCWO stosowane są bynajmniej nie rekordowe ciśnienia i temperatury: wyższe ciśnienia można spotkać w butlach gazowych w warsztatach spawalniczych. W normalnych warunkach roboczych obie wymienione technologie są całkowicie bezpieczne. W razie określonych zakłóceń układy automatyki i zabezpieczeń powodują samoczynne wyłączenie instalacji. Natomiast w przypadku awaryjnego uszkodzenia (np. rozerwania reaktora) rozmiar strat i zagrożeń wydatnie zmniejsza celowo ograniczona wielkość układu.
Proces utleniania nadkrytycznej wody (schemat obok) nawiązuje do układu technologicznego przygotowania wody stosowanego w typowych elektrowniach cieplnych. Zanieczyszczona woda (ścieki) pobierana ze zbiornika magazynowego jest tłoczona pompami wysokiego ciśnienia (ok. 250 barów) do reaktora, ulegając po drodze podgrzaniu w wymienniku regeneracyjnym do temperatury rzędu 400 st. C. W reaktorze, do którego dawkowany jest tlen, zachodzi reakcja utleniania, co podnosi temperaturę wylotową wody do 600 st. C. Podtrzymanie procesu następuje przy zawartości substancji odpadowych w oczyszczanej wodzie już na poziomie zaledwie 3 proc. Ciepło tej reakcji egzotermicznej odzyskuje się w dalszej części instalacji. Wypływająca z reaktora woda oddaje część ciepła we wspomnianym wymienniku (podgrzewaczu), po czym wpływa do kotła parowego, gdzie zostaje wykorzystana do podgrzewania wody zasilającej innego obiegu energetycznego. Następnie po dalszym schłodzeniu w chłodnicy i rozprężeniu w zaworze redukcyjnym wpływa do separatora gazów i cieczy. W zbiorniku tym następuje oddzielenie gazów (głównie CO2, N2, O2) od wody. Ta ostatnia, po oczyszczeniu ze składników mineralnych, nadaje się do celów technologicznych o wysokich nawet wymaganiach czystości.
Podczas eksploatacji układów SCWO nie napotkano dotychczas szczególnie istotnych problemów. W niektórych stanach pracy, zwłaszcza przy wysokiej zawartości soli w ściekach, następuje odkładanie osadów na ściankach rurociągów i wymienników ciepła. Dla uniknięcia tego zjawiska zaleca się wstępne usuwanie soli ze ścieków lub dodawanie do nich pewnych obojętnych związków, sprzyjających wytrącaniu soli w roztworze. Jednak ryzyko to nie dotyczy ścieków komunalnych, w których zawartość soli nie przekracza 1 proc. Inne z typowych zagrożeń dla instalacji wodnych, czyli korozja, w omawianych układach dotyczy jedynie części o temperaturze czynnika poniżej 370 st. C. Okazuje się bowiem, że po osiągnięciu temperatury stanu nadkrytycznego tj. 374 st. C procesy korozyjne zanikają z powodu braku dysocjacji. Zjawisko korozji w podgrzewaczach tej instalacji zostało zminimalizowane dzięki zastosowaniu własnych rozwiązań szwedzkiego producenta.
Technologia SCWO jest od kilku lat oferowana na rynku pod nazwą Aqua Critox. Firma Chematur Engineering AB zbudowała instalację pilotową w pobliżu swej siedziby w Karlskoga w środkowej Szwecji. Większy zakład prowadzący testowanie SCWO uruchomiono w Kobe (Japonia). W instalacji w Karlskoga zebrano już obszerne doświadczenia oczyszczania ścieków komunalnych docierających z okolicznych osiedli. Ustalono, że nowa technologia zapewnia pełne usuwanie zanieczyszczeń organicznych oraz niebezpiecznych mikroorganizmów pozostawiając zupełnie sterylne produkty końcowe. W wielu krajach nieoczyszczone (lub częściowo oczyszczone) ścieki usuwa się na pola i tereny zielone, co wzbudza uzasadnione sprzeciwy rolników i ekologów. Ostatnio w Szwecji przystąpiono do spalania zagęszczonych odpadów komunalnych wraz z innymi odpadami i paliwami w kotłach specjalnej konstrukcji. Technologia SCWO stała się więc kolejną alternatywą bezpiecznej utylizacji rosnących ilości ścieków organicznych, tym razem jednak nie w energetyce, lecz z przeznaczeniem pozostałości stałych dla budownictwa.
Zachęcające są także ekonomiczne efekty zastosowania metody oferowanej przez szwedzką firmę. Koszt oczyszczania 1 t ścieków wynosi ok. 20 USD i jest znacznie niższy od analogicznego wskaźnika dla spalania osuszonych odpadów. W przeliczeniu na suchy składnik ścieków komunalnych koszt ten w metodzie SCWO szacuje się na 115 USD/t, przy czym istnieją przesłanki dla jego znacznej redukcji. Niebagatelną zaletą tej technologii okazuje się także rozwiązanie problemu uzyskiwania lokalizacji dla nowych obiektów oczyszczania ścieków. W przypadku zakładów opartych na tej przyjaznej dla środowiska metodzie znikają opory społeczne przed podobnym „niewygodnym” sąsiedztwem, tak charakterystyczne dla różnego typu spalarni śmieci. Zakłady SCWO nie wydzielają żadnych nieprzyjemnych lub szkodliwych zapachów, a brak wysokich kominów wyklucza ingerencję w krajobraz. Zalety nowej technologii znalazły potwierdzenie w tak uciążliwych dla środowiska gałęziach przemysłu jak papierniczy i farmaceutyczny. Dotychczas ścieki z tych procesów produkcyjnych po osuszeniu spalano, a otrzymane popioły składowano, co bynajmniej nie zapobiegało przedostawaniu się do gleby i wód szkodliwych, a nawet trujących substancji. Obecnie absolutna skuteczność rozkładu tych związków w instalacji SCWO może zapewnić zupełnie nową jakość oddziaływania na środowisko przez te branże.
|
|
|
|
