Wysypiska śmieci, będące tradycyjną metodą gromadzenia odpadów, są przepełnione. Miejsca te zajmują dużo miejsca i mogą zanieczyszczać środowisko, gdyż odpady ulegają rozkładowi. W 2009 r. Europejska Agencja Środowiska opublikowała raport, w którym opowiadała się za przejściem ze składowania odpadów na wysypiskach na rzecz bardziej zrównoważonych alternatyw [1]. Jedno z rozwiązań polega na wykorzystaniu procesu obróbki cieplnej w celu spalania odpadów i wytwarzania energii. Chociaż spalanie może pomóc w ograniczeniu ilości odpadów trafiających na składowiska i generowaniu energii, ważne jest zrozumienie, jak działa proces spalania odpadów i jakie kroki należy podjąć, aby przeprowadzać go w sposób bezpieczny i przyjazny dla środowiska.
Najpierw stałe odpady komunalne przyjeżdżają ciężarówkami i są składowane w celu dalszego przetworzenia (Rysunek 1).
Następnie, odpady wprowadzane są do wysokotemperaturowego pieca, gdzie są spalane. W procesie spalania powstają spaliny – mieszanina gorących gazów i produktów ubocznych – które przed wypuszczeniem muszą zostać dokładnie oczyszczone.
Ciepło wytwarzane w piecu odgrywa kluczową rolę w produkcji energii elektrycznej. W ten sposób zgromadzone ciepło wytwarza parę, która napędza turbinę, generującą energię.
W dalszej części artykułu omówione zostaną najważniejsze elementy analizy spalarni odpadów, ze szczególnym uwzględnieniem sposobu wykorzystania analizatorów procesowych do monitorowania emisji takich substancji, jak amoniak, siarczany i metale ciężkie.
Spalanie to strategia gospodarowania odpadami, która pozwala ograniczyć ilość odpadów stałych (np. składowanych na wysypiskach) i jednocześnie przekształcać energię. Prognoza UNEP wskazuje, że produkcja stałych odpadów komunalnych wzrośnie z 2,3 miliarda ton w 2023 r. do 3,8 miliarda ton w 2050 r. [2]. Dlatego zapewnienie wydajnej i zgodnej z przepisami eksploatacji takich spalarni ma kluczowe znaczenie, ale można to osiągnąć poprzez skrupulatny monitoring i działania łagodzące.
Technologia spalania rozwinęła się i obecnie dostępne są różnorodne opcje dostosowane do konkretnych rodzajów odpadów. Istnieje kilka rodzajów spalarni: proste spalarnie, spalarnie z rusztem stałym lub ruchomym, spalarnie z piecem obrotowym i spalarnie fluidalne [3]. Każdy typ posiada unikalne cechy pod względem pojemności, wydajności i kontroli emisji.
W spalarni odpadów podróż zaczyna się od dostarczenia śmieci pojazdami odbierającymi (Rysunek 1). Mechanizm chwytający (Rysunek 2) podnosi odpady i umieszcza je w piecu wysokotemperaturowym.
W tym miejscu następuje spalanie, w wyniku którego odpady ulegają rozkładowi, a uwalniana jest energia cieplna i gazy spalinowe – w zasadzie gorące spaliny zawierające produkty uboczne spalania. Co ważne, ciepło powstające w procesie spalania wykorzystywane jest do wytwarzania pary wodnej i produkcji energii elektrycznej w sąsiadującej elektrowni cieplnej.
Podczas spalania powstają spaliny zawierające zanieczyszczenia, takie jak gazy kwaśne, metale ciężkie i cząstki stałe (PM). Skruber (Rysunek 3) działa jak bariera, wychwytując zanieczyszczenia zanim dotrą do atmosfery.
Spaliny nie są uwalniane bezpośrednio do atmosfery. Zamiast tego przechodzi przez kilka etapów kontroli emisji (np. przez skrubery i filtry) w celu usunięcia różnych niepożądanych substancji, które nie mogą zostać uwolnione do środowiska. W celu wychwytywania zanieczyszczeń, w tym cząstek stałych, metali ciężkich i kwaśnych gazów, skrubery wykorzystują wodę lub określone roztwory chemiczne.
Na koniec pozostały popiół z pieca i wszelkie ścieki powstałe w procesie czyszczenia są poddawane wnikliwej analizie przed ich usunięciem. Dzięki temu możemy mieć pewność, że materiały te zostaną poddane właściwej obróbce i utylizacji w sposób przyjazny dla środowiska.
Tego typu obiekty nie tylko zajmują się utylizacją odpadów, ale również wykorzystują wytworzone ciepło do wytwarzania energii.
Zakłady spalania odpadów oferują zatem podwójną korzyść: znaczną redukcję objętości odpadów na wysypiskach i wytwarzają energię.
Skrubery, czyli w zasadzie jednostki kontrolujące zanieczyszczenie powietrza w procesie spalania odpadów, odgrywają ważną rolę w utrzymywaniu poziomu emisji poprzez zatrzymywanie zanieczyszczeń w cieczach (Rysunek 4) lub specjalistycznych suchych materiałach.
Skrubery redukują emisję zanieczyszczeń, takich jak dwutlenek siarki (SO2), tlenki azotu (NOX), metale ciężkie i PM. Dzięki temu spalarnie odpadów mogą spełniać rygorystyczne przepisy dotyczące ochrony środowiska.
Neutralizując kwaśne gazy, skrubery zapobiegają tworzeniu się kwaśnych deszczów, chroniąc żyzność gleby i ekosystemy wodne na obszarach w pobliżu spalarni.
Urządzenia czyszczące korzystnie wpływają na zdrowie publiczne, redukując emisję niebezpiecznych substancji mogących powodować choroby układu oddechowego i inne komplikacje zdrowotne.
Nieoczyszczone (lub niedostatecznie oczyszczone) ścieki ze spalarni odpadów stanowią zagrożenie dla środowiska i zdrowia publicznego. Dokładny monitoring zapewnia, że ścieki spełniają wymagania określone w przepisach dotyczących zrzutów i nie powodują szkód.
Analizatory procesowe pomagają zminimalizować błędy, które mogą wystąpić podczas pobierania próbek i analiz laboratoryjnych. Zapewniają obraz stanu zakładu w czasie rzeczywistym, umożliwiając proaktywne wprowadzanie zmian w celu optymalizacji wydajności. Ponadto analizatory procesowe online eliminują potrzebę ręcznej obsługi potencjalnie niebezpiecznych substancji chemicznych, zwiększając bezpieczeństwo operatorów i personelu zakładu.
W pełni zautomatyzowane, analizatory procesowe online zapewniają dokładność laboratoryjną, gwarantując wiarygodne dane niezbędne do podejmowania kluczowych decyzji.
Niektóre segmenty procesu spalania odpadów, w których można zainstalować analizatory procesowe online w celu monitorowania, są wymienione w Tabela 1. Metrohm Process Analytics oferuje kompleksowy zestaw rozwiązań do monitorowania kluczowych parametrów w zakładach spalania odpadów i elektrowniach. Zostały one opisane bardziej szczegółowo w dalszej części artykułu.
| Parametr | Technika analizy | |
|---|---|---|
| Spaliny / Piec | Kwasy i metale ciężkie | VA / XRF |
| Wapń i siarczan | Miareczkowanie | |
| Siarczan | Miareczkowanie / Fotometria | |
| Płuczka | Metale ciężkie | VA / XRF |
| Amoniak (NH3) w popiele skrubera | ISE | |
| Wodorotlenek sodu, węglan wapnia, siarczan | Miareczkowanie | |
| Woda chłodząca | Sód, amoniak | Miareczkowanie |
| Inhibitory korozji miedzi | Chromatografia jonowa | |
| Metale ciężkie | VA | |
| Turbina | Korozja przyspieszona przepływem (FAC) | IC / VA |
| Ścieki do oczyszczalni ścieków (WWTP) | Cynk, kadm, ołów, rtęć | Wirginia |
| Mangan, żelazo (Fe2+/Fe3+), chrom (Cr6+), krzemionka (Si4+) | Miareczkowanie / Fotometria | |
| Amon (NH4+) | ISE |
Kiedy należy wybrać analizę procesową zamiast tradycyjnych pomiarów laboratoryjnych? Przeczytaj nasz artykuł na blogu, aby dowiedzieć się, które czynniki są najważniejsze przy podejmowaniu tej decyzji.
Analiza laboratoryjna a analiza procesowa: kluczowe czynniki podejmowania świadomych decyzji
Analiza woltamperometryczna jest skuteczną techniką określania śladowych ilości metali ciężkich w emisjach ze spalarni. Konieczna jest czuła metoda analityczna, ponieważ normy środowiskowe dotyczące uwalniania tych zanieczyszczeń zwykle wynoszą µg/L (części na miliard, ppb). Wykorzystując zasady elektrochemiczne, woltamperometria charakteryzuje się wysoką czułością i selektywnością, co pozwala na dokładne wykrywanie i ilościowe określanie zanieczyszczeń.
Woltamperometria polega na pomiarze prądu elektrycznego wytwarzanego przez próbkę poddaną zmiennemu napięciu. Umożliwia to wykrywanie i ilościowe oznaczanie różnych rozpuszczonych metali, anionów i kationów w roztworze.
W elektrowniach i spalarniach woltamperometria okazuje się nieoceniona w następujących etapach procesu:
Optymalizacja skrubera. VA pomaga monitorować metale ciężkie, takie jak ołów i kadm, w ściekach wypływających z oczyszczalni, zapewniając optymalną pracę oczyszczalni i zapobiegając przedostawaniu się tych zanieczyszczeń do środowiska.
Notatka aplikacyjna: Analiza online kadmu w mokrych skruberach gazów w spalarniach
Analiza wody chłodzącej. Układy chłodzenia wodnego są podatne na korozję i zanieczyszczenie metalami ciężkimi. Woltamperometria ułatwia wykrywanie tych zanieczyszczeń, co pozwala na podjęcie działań zapobiegawczych i ochronę integralności krytycznej infrastruktury (np. wymienników ciepła, chłodni kominowych i turbin).
Skuteczność oczyszczania ścieków. Ścieki z elektrowni wymagają odpowiedniego oczyszczenia przed wypuszczeniem na wolność. Woltamperometria pomaga monitorować zawartość metali ciężkich, takich jak cynk, kadm, rtęć i ołów w ściekach, zapewniając skuteczne usuwanie tych substancji i zgodność z przepisami dotyczącymi ochrony środowiska.
Tradycyjnie miareczkowanie polegało na ręcznym pobieraniu próbek i ich analizie w laboratorium, co wiązało się z ryzykiem wystąpienia błędu ludzkiego. Titracja online (Rysunek 6) rewolucjonizuje ten proces oferując kilka kluczowych korzyści, o których wspomniano powyżej.
Titracja odgrywa istotną rolę w różnych zastosowaniach w elektrowniach i spalarniach odpadów, takich jak:
Ochrona zasobów. Monitorowanie amoniaku (NH3) w wodzie chłodzącej chroni rury, kotły i inny drogi sprzęt przed korozją.
Nota aplikacyjna: Amoniak w wodzie chłodzącej elektrowni cieplnych
Zwalczanie korozji. Ciągły pomiar „liczby m” (zasadowości) wody chłodzącej pomaga zapobiegać korozji w układzie.
Nota aplikacyjna: Wytwarzanie energii: analiza liczby m (zasadowości) w wodzie chłodzącej
Wczesne wykrywanie problemów. Analiza śladowa żelaza i miedzi w wodzie elektrowni pozwala wcześnie ostrzegać o potencjalnych problemach z korozją.
Nota aplikacyjna: Monitorowanie korozji w elektrowniach za pomocą analizy procesów online – szybsze pomiary ultraśladowe żelaza (Fe) i miedzi (Cu)
Stan kotła. Ciągły monitoring poziomu krzemionki w wodzie zasilającej kocioł zapewnia prawidłową pracę kotłów i zapobiega kosztownym przestojom.
Nota aplikacyjna: Analiza online krzemionki w wodzie zasilającej kotły elektrowni
Więcej informacji na temat zasad miareczkowania znajdziesz w naszym wpisie na blogu.
IC doskonale nadaje się do rozdzielania i ilościowego określania jonów w próbkach wodnych. Stosowana w elektrowniach chromatografia jonowa IC idealnie nadaje się do monitorowania śladowych ilości różnych analitów, co pomaga w:
Kontroli korozji. Układy chłodzenia wodnego są podatne na korozję, która może negatywnie wpływać na wydajność zakładu i bezpieczeństwo personelu. Monitorowanie stężenia inhibitorów korozji miedzi w wodzie chłodzącej online za pomocą chromatografii jonowej (Rysunek 7) umożliwia proaktywną konserwację i zapobiega kosztownym uszkodzeniom sprzętu.
Nota aplikacyjna: Monitorowanie online inhibitorów korozji miedzi w wodzie chłodzącej
Optymalizacji elektrowni. Analiza nawet śladowych ilości amin w alkalicznym układzie wodno-parowym elektrowni pomaga zoptymalizować wydajność systemu i zminimalizować potencjalne problemy.
Nota aplikacyjna: Śladowa analiza online amin w alkalicznym obiegu wodno-parowym elektrowni
[1] Odprowadzanie odpadów ze składowisk - Skuteczność polityk gospodarowania odpadami w Unii Europejskiej — Europejska Agencja Środowiska. https://www.eea.europa.eu/publications/diverting-waste-from-landfill-efektywność-of-waste-management-policies-in-the-european-union (dostęp 2024-05-01).
[2] Środowisko, U. N. Globalne perspektywy gospodarki odpadami 2024. UNEP – Program Środowiskowy ONZ. http://www.unep.org/resources/global-waste-management-outlook-2024 (dostęp 2024-04-24).
[3] Spalarnia - przegląd | Tematy ScienceDirect. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/incinerator (dostęp 2024-04-23).
Broszura: Branża badań środowiskowych I - Analizatory online do analizy ścieków komunalnych
Udostępnij artykuł
