Plazmová technologie – její aplikace v energetice a průmyslu

V České republice vzniká v současné době ročně 21 000 t zvláštních a nebezpečných odpadů a téměř 77 000 t dalších také nebezpečných odpadů. To zdaleka nejsou všechny, kdy další ve formě ekologických zátěží z minulé doby ohrožují životní prostředí četných průmyslových aglomerací. Připomeňme např. 200 000 t kalů po bývalé chemičce Ostramo v Ostravě, jejichž sanace má stát cca 5,5 mld. korun (!). Odpady jsou deponovány na otevřených, předem připravených lokalitách, a to v původním nebo chemicky upraveném stavu, popřípadě jsou recyklovány, zpracovány pyrolyzními technologiemi na topný plyn nebo likvidovány ve spalovnách. Moderní technologie spalování chlorovaných uhlovodíků a dalších organických halogenových sloučenin jsou charakterizovány optimalizací spalovacích podmínek, při kterých je dosahována vyšší teplota, prodlužují se časy setrvání spalovaných látek v oblasti vysokých teplot (1100–1200 ?C) a zvyšuje se množství kyslíku v zóně dodatečného hoření spalin. Cílem je rozklad i těch nejstabilnějších toxických organických sloučenin a jejich derivátů s účinností vyšší než 99,9 procenta. Současné trendy při uplatnění vysokoteplotních a nízkoteplotních plazmových technologií, vysvětluje prof. Ing. Pavel Kolát, DrSc., z katedry energetiky VŠB – TU Ostrava, směřují k dalšímu zvýšení teplot při spalování nebezpečných odpadů a ke zkrácení časů potřebných pro destrukci molekul toxických organických sloučenin, aby jejich likvidace mohla být uskutečněna v zařízeních blízko místa jejich vzniku. To je obrovská výhoda, protože tím šetříme náklady na přepravu, zabezpečení nákladu i zatížení komunikací. _ Pane profesore, jaké jsou výhody plazmových technologií? Je jich celá řada. Zmíním ty podstatné. Umožňují vysoce účinný rozklad toxických sloučenin v plynných produktech pyrolyzních technologií a spalovacích procesů. Je zde nezávislost disociačního procesu na atmosféře. Produktem může být energeticky využitelný plyn s vysokým obsahem CO, H2 a uhlovodíků. K těm dalším přednostem patří zamezení zpětné reprodukce jednoduchých molekulárních a atomárních částic na výchozí sloučeniny PCB, PCDD, PCDF a další vysoce molekulární toxické organické látky. Je tu možnost likvidace širokého spektra odpadů, a pokud se týká konstrukce, nespornou výhodou je adaptivní uplatnění modulů plazmových disociačních komor ve spalinovém traktu spaloven různého typu. _ A nevýhody plazmových technologií? Můžeme hovořit o zvýšených pořizovacích nákladech spalovacího zařízení, které je vybavené plazmovou technikou. Jsou to zvýšené provozní náklady zapříčiněné elektrickým příhřevem spalin s účinností plazmových hořáků cca 90 procent, a co je naprosto nezbytné, to však nepovažuji za nevýhodu – je požadavek na kvalifikovanou obsluhu zařízení. _ To je stávající situace. Výzkumné týmy na VŠB – TU Ostrava si však stanovily připravit technologii vysokoteplotní plazmy s daleko vyššími parametry. Cílem našeho výzkumu řešeného v několika projektech Grantové agentury ČR, který „běží“ již od roku 1995, bylo experimentální stanovení a prověření účinnosti plazmové disociační komory pro vysokoteplotní a radiační rozklad plynných toxických sloučenin produkovaných spalovnami nebezpečných organických odpadů. Na rozdíl od dosavadních plazmových zařízení, umožňujících likvidaci i vysoce toxických sloučenin vysokoteplotními účinky, se předpokládalo navíc využití radiačních účinků dlouhých paprsků plazmatu s teplotou v jádru až 20 000 °C, umožňujících destabilizaci molekul toxických sloučenin působením UV záření o vlnové frekvenci, soustředěné v oblasti kolem 1014 Hz. Molekuly excitované radiačními účinky termálního plazmatu na vyšší úrovně potenciálních energií, vykazují vyšší stabilitu a odpovídající nižší teploty pro jejich disociaci. Tato skutečnost dává reálný předpoklad pro úsporu tepelné energie, vynakládané zkrácení času setrvání spalin na vysoké teplotě, která je zapotřebí pro disociaci molekul toxických sloučenin. V budoucnu předpokládáme využití této plazmové technologie pro stacionární i mobilní spalovací jednotky o kapacitě 50–100kg/h odpadů vybavené disociační komorou pro tepelný a radiační rozklad toxických sloučenin. Realizačním výstupem pak budou podklady pro konstrukci malých a středně velkých spaloven nebezpečných odpadů. Návrh vychází z pracoviště plazmových technologií na VŠB – TU Ostrava, na Fakultě metalurgie a materiálového inženýrství, které bylo vybaveno základní použitelnou plazmovou technikou o výkonech do 1 MWe a příslušenstvím, která jsou využívána již v hutním průmyslu, jmenovitě v metalurgii čistých kovů ve Vítkovicích. Konstrukce vysokoteplotního plazmového hořáku, která je patentově chráněna, je dílem prof. Ing. Vladimíra Dembovského, DrSc. V současné době je zpracován projekt experimentální tratě se spalovací komorou opatřené hořákem pro spalování mazutu, který zajistí ohřev modelových spalin na teplotu přibližně 600 °C. Trať je vybavena přisáváním vzduchu do disociační komory. Palivový okruh umožňuje dávkování chlorovaných uhlovodíků. Disociační komora je navržena s vodou chlazeným pláštěm a žáruvzdornou vyzdívkou umožňující provoz s teplotou spalin do 1700 °C je dimenzována pro využití ve spalovně nebezpečných odpadů o výkonu 100 kg/h, při průměrné výhřevnosti odpadů 20 MJ/kg, produkující cca 10,2 Nm3/kg spalin o teplotě 1000 °C. Za těchto podmínek dojde při výkonu plazmových hořáků 850 kWe k ohřevu spalin až na 1600 °C a k úplné disociaci plynných toxických sloučenin. Funkčně prověřená konstrukce plazmových hořáků umožní pochody s anodicky i katodicky začleněným substrátem. Jeho pevná, popřípadě tekutá fáze do elektrického obvodu plazmových hořáků zajistí podmínky pro uskutečňování chemických reakcí se vstupem pozitivních iontů do povrchové chemické reakce i pro přípravu nových typů technologií v oblasti chemie, metalurgie a materiálového inženýrství. Významným inovačním řešením opět „z dílny“ akciové společnosti Orgrez Ostrava ve spolupráci s VŠB – TU Ostrava tentokrát pro odvětví energetiky je možné využití plazmové technologie v procesu zapálení práškové uhelné směsi při najíždění práškových kotlů. V teplárnách a elektrárnách se při najíždění práškových kotlů a pro stabilizaci hoření využívá mazut nebo plyn. Víme všichni jak jdou ceny paliv, energií prudce nahoru. Cena mazutu představuje v dnešní době částku 100 – 150 USD/t, v některých zemích dokonce překračuje i 200 USD/t. Cena zemního plynu je ještě vyšší. Ve světové energetice se spotřebuje více než 50 milionů tun mazutu za rok. Všeobecné tendence snižování kvality energetického uhlí vyžaduje další zvyšování spotřeby přídavných paliv. To vede k nárůstu cen už zmíněného mazutu i plynu. Řešením tohoto problému se intenzivně zabývají výzkumné ústavy ve spolupráci s významnými energetickými firmami v Austrálii, Kanadě, Rusku, v USA a v dalších zemích. Úspěšného výsledku bylo dosaženo i v České republice. Konkrétně firma Orgrez Ostrava ve spolupráci s VŠB – TU Ostrava v rámci řešení výzkumného úkolu Grantové agentury ČR aplikovala nízkoteplotní plazmovou technologii na blok o výkonu 110 MVe v elektrárně Prunéřov. Jedná se o granulační kotel s pěti mlýnskými okruhy a přímým foukáním uhelného prášku do kotle. Na tento blok byly nasazeny dva plazmatrony o výkonu 320 kWe. Byla úspěšně dokončena fáze zkoušení, optimalizace a poloprovozní zařízení bylo předáno provozovateli. S tímto systémem, plně srovnatelným se špičkovými technologiemi v zahraničí, bylo provedeno již sedminásobné zkušební najetí bez jakýchkoliv mazutových hořáků. Provoz je automatizován a veden z řídicího systému ve velínu. _ A dosažené výsledky – vyjádřeno konkrétně? Automatický způsob regulace nízkoteplotní plazmové technologie umožňuje bezpečné najetí obou plazmových generátorů po splnění příslušných podmínek kontrolovaných řídicím systémem. Ve všech případech se podařilo podstatně zkrátit dobu najíždění. Časová úspora se pohybovala ve srovnání s mazutovým způsobem roztápění v rozmezí 30–45 minut. Současně s tím výrazně klesly odpovídající provozní náklady při roztápění kotle. Spalovací provozní zkoušky s ověřením všech nezbytných parametrů spojených s komplexním měřením bloku provedlo pracoviště pro diagnostiku a provoz tepelně – energetických zařízení katedry energetiky pod vedením dr. Ing. Bohumíra Čecha. To zdaleka není vše, poodhalil profesor Kolát, další výsledky práce řešitelského týmu pod vedením ředitele Orgrezu. Ostrava Ing. Miloše Maie ra. Realizačním výstupem řešeného projektu je také nová koncepce plazmatronu s pohyblivými elektrodami. Nasazení plazmové technologie na jednotlivé uhelné bloky bylo potvrzeno ve dvou základních modifikacích. Jedná se o kotle s přímým foukáním uhelného prášku do spalovací komory, tak i kotle se zásobníkem uhelného prášku. Dalším realizačním výstupem projektu je návrh metodiky konstruování a návrhu optimalizace plazmové technologie pomocí moderních výpočetních prostředků, jako je aplikovaný program CFD. Tyto programy aplikované v projektu Ing. Tomášem Blejchařem, Ph.D., z firmy Orgrez Ostrava umožňují optimalizaci ve virtuálním prostředí u nových uhelných bloků a také při návrhu spaloven nebezpečných odpadů, což vede k výrazné úspoře času a finančních prostředků. Je prokázáno, že provozní náklady plazmového zapalování uhelných prášků jsou výrazně nižší než provoz mazutového najíždění kotle a totéž se týká najíždění nebo stabilizace pomocí plynu. Byly prokázány úspory na ušlechtilých palivech (plyn, olej, mazut), ale i palivech fosilních při zapalování kotlů, stabilizaci hoření, včetně zvýšení regulačního rozsahu kotlů při dosažení dobrého spalování snížením ztrát tuhým nedopalem. Výsledky řešení tohoto výzkumného projektu, které lze aplikovat na dalších uhelných elektrárnách v ČR mohou přinést tak potřebnou synergii efektu v rámci české energetiky a jsou také podkladem pro řešení diplomových a doktorských prací studentů v oboru energetické stroje a zařízení na Fakultě strojní. To je také vyšší přidaná hodnota ve smyslu: věda – výzkum – praxe pro naši ekonomiku, na které se podílí i pracoviště VŠB – TU Ostrava. OLDŘICH HOUŠKA