Dobiega końca wspólny projekt Wydziału Mechaniczno-Energetycznego i firmy Remix. Dzięki dużemu grantowi w ramach programu „Gekon” powstała instalacja zgazowywania osadów ściekowych wykorzystująca reaktor plazmowy

„Gekon”, czyli Generator Koncepcji Ekologicznych jest wspólną inicjatywą Narodowego Centrum Badań i Rozwoju oraz Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej. W ramach programu obie te instytucje dofinansowują projekty badawcze, rozwojowe i wdrożeniowe, które rozwijają technologie ekologiczne.

W 2015 r. taki grant (ponad 5 mln zł) zyskały wspólnie firma Remix ze Świebodzina i Wydział Mechaniczno-Energetyczny Politechniki Wrocławskiej. Naukowcy i przedstawiciele przedsiębiorstwa właśnie kończą prace nad kogeneracyjnym układem zgazowywania osadów ściekowych z plazmowym doczyszczeniem gazu.

Problematyczna smoła

Wraz z początkiem ubiegłego roku weszła w życie unijna dyrektywa, która zakazuje składowania opadów ściekowych i wykorzystywania ich w celach rolniczych, natomiast nakazuje ich efektywne zagospodarowanie. Do tej pory w Polsce obróbka osadów ściekowych kończyła się na ich mechanicznym odwadnianiu, osuszaniu i głównie składowaniu lub ewentualnym wykorzystywaniu w uprawie roślin czy rekultywacji terenów. Nieliczni decydowali się na ich przekształcanie termiczne. Oznaczało to, że każdego roku na składowiska trafiało około 6,5 mln ton takich odpadów (według danych GUS). Tymczasem można je wykorzystywać jako surowiec energetyczny.

Energetyka i ciepłownictwo nie są jednak zainteresowanie spalaniem suszonego osadu ściekowego, bo ma on niewielką wartość opałową (12 MJ/m³; dla porównania: drewno ma 18 MJ/ m³, a gaz ziemny 34 MJ/m³ ), a do tego problematyczne jest składowanie popiołów.

- Rozwiązaniem tej sytuacji może być zgazowanie osadu ściekowego w miejscu jego wytworzenia i użycie powstałego w ten sposób gazu do pozyskiwania ciepła i energii elektrycznej – podkreśla prof. Włodzimierz Kordylewski, z Zakładu Kotłów, Spalania i Procesów Energetycznych PWr, kierownik projektu realizowanego w ramach programu „Gekon”. – Otrzymany w ten sposób gaz będzie jednak mocno zanieczyszczony smołami. A to poważny problem, bo smoła kondensując się, blokuje rurociągi oraz może uszkadzać tłokowe silniki spalinowe lub turbiny gazowe. Tworzą ją ciężkie węglowodory aromatyczne pochodzenia organicznego, których usunięcie z gazu sprawia duże trudności. Nie jest to jednak niemożliwe.

Metodą radzenia sobie ze smołami może być plazma mikrofalowa. Plazma jest czwartym stanem materii (obok ciała stałego, cieczy i gazu). To zjonizowana materia o stanie skupienia przypominającym gaz, zawiera swobodne cząstki (jony i elektrony), które są naładowane, ale sama jest elektrycznie obojętna. Określenie „mikrofalowa” odnosi się do sposobu jej sztucznego wytwarzania. W generatorach takiej plazmy mikrofale (po rozpoczęciu jonizacji w gazie) podtrzymują powstałą plazmę energią dostarczaną ciągle lub impulsowo ze źródła mikrofal.

W gazach przepływających przez generator plazmy mikrofalowej  smoła jest rozkładana na lżejsze, nieulegające kondensacji składniki. Stworzeniem układu zgazowywania osadów ściekowych wykorzystującego taki generator plazmy zajęli się właśnie pracownicy Wydziału Mechaniczno-Energetycznego. Rezultatem ich prac są dwie instalacje – laboratoryjna, która znajduje się w kampusie PWr, i pilotażowa, z jakiej będzie korzystać firma Remix (w jej powstaniu uczestniczyła innowacyjna firma wrocławska Promis-TECH, która zbudowała instalację plazmową, korzystając z wyliczeń naukowców PWr).

Nawet 99 proc. skuteczności

Instalacja badawcza składa się z gazogeneratora zasilanego powietrzem ze sprężarki oraz mikrofalowego reaktora plazmowego, z którego odprowadzane gazy poddawane były wszechstronnej analizie z użyciem nowoczesnej aparatury zakupionej z projektu. Reaktor plazmowy stanowi kwarcowa rura, w której plazma była wzbudzana promieniowaniem mikrofalowym doprowadzanym do reaktora falowodem z magnetronu o mocy 3 kW. Właściwa instalacja jest czterokrotnie większa – dzięki temu w ciągu godziny będzie przez nią przepływać maksymalnie 30 m³ gazu powstającego z około 15 kg osadu ściekowego.

- Nasze analizy wykazały, że instalacja usuwa nawet 99 proc. zanieczyszczeń ze strumienia gazu – opowiada Mateusz Wnukowski, doktorant uczestniczący w projekcie, odpowiedzialny za analizy chemiczne. – Ze strumienia gazu pobieramy próbki, przed reaktorem plazmy i po nim. Badamy je, wykorzystując chromatograf gazowy ze spektroskopem. Skuteczność usuwania szkodliwych związków zależy od czasu przebywania w strefie plazmy i jest też różna dla każdego z nich, sięga od 87 proc. dla benzenu, do 99 proc. dla toluenu.

Zastosowanie plazmy pozwala również zredukować stężenie dwutlenku węgla  w gazie (z 20 do 5 proc.), a zwiększyć ilość tlenku węgla i wodoru. Oczyszczony gaz zasila silnik spalinowy, który produkuje energię elektryczną, natomiast ciepło odpadowe (temperatura gazu w strefie plazmy to około 1200 stopni Celsjusza) może być wykorzystywane do ogrzewania pomieszczeń. Mamy tu więc do czynienia z kogeneracją.

By takie instalacje stały się powszechne, naukowcy będą musieli popracować nad ich opłacalnością. Zakup reaktora plazmowego wiąże się bowiem z koniecznością wydania około 400 tys. zł, a efekty funkcjonowania podobnej instalacji (czyli wytwarzanie prądu i ciepła) nie są jeszcze na tyle imponujące, by skłaniały do takiego wydatku.

– Samo jednak wykazanie skuteczności takiej instalacji plazmowej w oczyszczaniu gazu to duży krok – zaznacza Mateusz Wnukowski. – Na pewno będziemy starali się ją udoskonalać. Myślę np. o połączeniu plazmy z katalizatorem, co pozwoli nam osiągnąć większy strumień gazu przy tej samej efektywności usuwania szkodliwych związków. Możliwe jest także wykorzystywaniu tej technologii np. do konwersji metanu albo utylizacji odpadów takich jak lakiery czy rozpuszczalniki, co mogłoby skutkować wytwarzaniem jakiegoś paliwa. Wszystko to kwestia dalszych badań i analiz, a my jesteśmy dopiero na początku drogi.

Lucyna Róg