Przedstawione rozwiązanie podlega ochronie patentowej.
Technologia uzyskała pozytywną Decyzję o Środowiskowych Uwarunkowaniach - GKR i OS. 6220.8.2014.TP dla lokalizacji w miejscowości uzdrowiskowej położonej w otulinie obszaru chronionego "Natura 2000"
Układy technologiczne instalacji recyklingu odpadów organicznych wykorzystujące w swym działaniu Reaktory Molekularne Odpadów (RMO) realizują procesy „zamkniętych obiegów materiałowo – energetycznych w systemach gospodarowania odpadami” :
Podobnie czyni to RCM – Ciekłometaliczny Reaktor Molekularny – Reaktor Molekularny I-szej generacji instalacji Recyklingu Molekularnego Odpadów (RMO).
W temperaturze 1300 °C cała materia organiczna występuje już w postaci jednoatomowych lub/i dwuatomowych prostych związków chemicznych, zawierających głównie cząsteczki dwutlenku węgla i wodoru, zaś elementy ceramiczne występują w stanie stopionym. W tych warunkach proces recyklingu odpadów przebiega w sposób ekologiczny. Poniżej podano konstrukcję reaktora ciekłometalicznego zapewniającego taką temperaturę pracy oraz opisano jego działanie w warunkach zgazowania odpadów z udziałem tlenu z wody („spalanie w wodzie”). W pracy wykazano także, że reaktor ciekłometaliczny jest dostępnym i najtańszym urządzeniem likwidacji wszelkich odpadów. Po absorpcji CO2 z gazów poreakcyjnych i związania go do węglanów typu X2CO3 gazowym produktem reakcji jest tylko wodór, który spalany w ogniwie paliwowym jest źródłem energii elektrycznej i wody. Wodę zawraca się do procesu. W instalacji nie występuje komin. Reaktor wysokotemperaturowy jest podstawowym urządzeniem Zakładu Utylizacji Końcowej Odpadów i podstawowym urządzeniem Zintegrowanych Systemów Ekologicznych.
Podobnie czyni to RCM – Ciekłometaliczny Reaktor Molekularny – Reaktor Molekularny I-szej generacji instalacji Recyklingu Molekularnego Odpadów (RMO).
Poszukując efektywnych i ekologicznych technologii termicznej transformacji odpadów organicznych do postaci paliw przyjęto założenie, że powinna być to technologia uniwersalna, w której:
temperatura procesu jest wyższa niż 850 °C po to, aby móc przeprowadzić proces zgazowania węgla organicznego przy użyciu pary wodnej, czyli wytwarzać gaz wodny CO + H2 wzbogacający energetycznie gaz syntezowy,
Warunki te spełnia reaktor ze złożem ciekłometalicznym w postaci ciekłego żelaza utrzymującego w przestrzeni reakcyjnej temperaturę 1500 °C, przy temperaturze topnienia żelaza 1400 °C. Reaktor Ciekło - Metaliczny (reaktor RCM) to typowy piec indukcyjny przeznaczony do wytopu metali. W reaktorze tym przestrzeń pomiędzy powierzchnią stopionego metalu a kopułą pokrywy pieca tworzy przestrzeń reakcyjną, w której natężeniem lub częstotliwością prądów wirowych nastawia się pożądaną temperaturę procesu. Do przestrzeni reakcyjnej wprowadza się odpady.
Reaktor RCM wytwarza wodór – ekologiczne (odnawialne?) paliwo przyszłości.
W 1998 r. dnia 15 grudnia zostało dokonane (Marek Pilawski i inni) zgłoszenie patentowe pt. : „Sposób urządzenie do termicznego i termokatalitycznego przekształcania materii, zwłaszcza utylizacji odpadów”, na które Urząd Patentowy RP w dniu 30 listopada 2004 roku wydał patent o numerze 187669.
Pierwszą próbę działania Reaktora RCM przeprowadzono na piecu indukcyjnym w odlewni stali i żeliwa w mieście Bolesław koło Krakowa. Na rozgrzaną do temperatury 1570 °C powierzchnię żelaza stopowego wprowadzono odpady komunalne. Zaobserwowano unoszący się dym, który był sadzą utworzoną przez węgiel organiczny. Przy ponownej próbie odpady zmieszano z wodą, w przybliżeniu w stosunku 50 : 50. Dym i sadza zniknęły całkowicie, a na wysokości ok. 1 m ponad lustro stopionego metalu pojawił się płomień. Wnioskować z tego można, że w przestrzeni pomiędzy poziomem pojawienia się płomienia, a lustrem ciekłego metalu, występowała temperatura wyższa od temperatury rozkładu tlenków. Atomy w tym obszarze były jeszcze swobodne. Dopiero po schłodzeniu gazu, idąc w procesie od strony wysokich temperatur do niższych, zaczęły pojawiać się tlenki, gdyż to one przede wszystkim świecą. W tych temperaturach też występuje większe powinowactwo chemiczne tlenu do węgla, niż do wodoru. Tak więc w warunkach procesu wszystkie wartościowości węgla zostały wysycone tlenem z wody tworząc jeden z najtrwalszych związków chemicznych – CO2. W tym przypadku nie ma warunków do syntezowania dioksyn i furanów, węglowodorów o strukturze cyklicznej, itp., bowiem wszystkie wartościowości węgla zostały już zajęte w temperaturach, w których dioksyny i furany ulegają rozkładowi.
W tej sytuacji, obok gazu CO2, (lub gazu CO przy mniejszej domieszce wody) pojawia się jedynie wodór atomowy H2 pochodzący z odpadowej materii organicznej i z wody.
Uzasadnienie wyboru technologii
Cechy Reaktorów RCM
2H2 + NO2 = 2H2O + N
W ten sposób może być realizowana idea „odpady pracują na odpady”.
Sposoby zagospodarowania gazów reakcyjnych
Gazy reakcyjne powstające w procesie zgazowania odpadów przy udziale wody w temperaturze 1500 °C, zawierające CO lub CO2 i H2 można zagospodarować w różny sposób:
W wyniku spalania gazów w powietrzu wydziela się ciepło. Należy jednak liczyć się w tym przypadku z:
Spalanie gazów reakcyjnych w obecności utleniaczy prowadzi do wydzielenia się ciepła. W tym przypadku powstaje jednak kilkakrotnie mniejsza ilość spalin, niż w przypadku pierwszym. W zależności od rodzaju użytego utleniacza w spalinach mogą się pojawić tlenki azotu, lub nie.
Gaz reakcyjny można schłodzić do temperatur np. pokojowych w chłodnicy, a następnie spalać schłodzony gaz reakcyjny w powietrzu, w kontrolowanych warunkach fizycznych. W tym przypadku w układzie są dwa źródła ciepła : chłodnica i palnik gazowy.
Schłodzony w chłodnicy gaz reakcyjny do temperatury 60 oC lub niższej może stanowić paliwo gazowe agregatów prądotwórczych wyposażonych w silniki gazowe. Jeśli ponadto agregat prądotwórczy wyposażony jest dodatkowo w wymiennik ciepła pracujący na spalinach, to jest on źródłem nie tylko energii elektrycznej, lecz również cieplnej.
Gaz procesowy, otrzymany z reaktora RCM, można użyć do zasilania ogniw paliwowych w celu produkcji energii elektrycznej.
Ogniwa paliwowe pracujące na gazie syntezowym ze sprawnością 40 % wejdą do eksploatacji za kilka lat.
Gorące składniki gazów reakcyjnych można na sicie molekularnym rozdzielić na tlenek węgla i wodór. Wodór można wykorzystać w wodorowym ogniwie paliwowym o sprawności 60 %, natomiast tlenek węgla spalić w kontrolowanych warunkach spalania celem odzyskania energii cieplej.
Gorące spaliny gazów reakcyjnych zawierające CO2 i parę wodną można zredukować do krystalicznych związków typu X2CO3 i wody. Wodę można ponownie zawrócić do procesu. W tym przypadku technologia RCM zostaje pozbawiona komina, staje się technologią „bezkominową”, i choć fizycznie jest technologią termiczną, nie jest spalaniem odpadów w rozumieniu Ustawy „O Odpadach”.
(Tlen do spalania gazów reakcyjnych można czerpać nie tylko z wody, lecz również z kopalni, w których istnieją urządzenia do separacji tlenu atmosferycznego i azotu, przy czym tlen jest uwalniany do atmosfery, a azot służy do wentylowania zagrożonych wybuchem szybów kopalnianych).
Dowolne odpady, dzięki reaktorowi RCM, można spalać w dowolnych warunkach, nawet w warunkach prymitywnych, a następnie popiół skierować do Reaktora RCM celem jego witryfikacji. Również spaliny można skierować do tegoż Reaktora i zmienić ich skład chemiczny dzięki użytym dodatkom i katalizatorom.
W procesie szokowego schładzania spalin można odzyskać energię cieplną.
Reaktor RCM można potraktować jako Przystawkę Satelitarną współpracującą z kotłem energetycznym. W systemie tym zwitryfikowany popiół wyprowadzany z Reaktora używa się jako kruszywo drogowe, a gaz reakcyjny wprowadza się do komory paleniskowej kotła energetycznego, gdzie w atmosferze powietrza wtórnego z zastosowaniem np. technologii energowiru, gaz ten zostaje spalony stając się dodatkowym źródłem ciepła w kotle. W ten sposób następuje współspalanie odpadów z paliwami kopalnymi.
Paliwa II-giej generacji
Paliwa alternatywne wytwarzane z odpadów można podzielić na paliwa I-szej generacji i paliwa II-giej generacji.
Paliwa I-szej generacji powstają poprzez fizykochemiczne przetworzenie odpadów organicznych, które są materiałami palnymi, ale nie są paliwami. Palnymi materiałami odpadowymi są np. : papier, guma, plastiki, tekstylia, itd., ale nie są one paliwami, ani w sensie energetycznym, ani w sensie ekologicznym.
Do paliw I-szego rodzaju należą przede wszystkim : oleje pirolityczne z gum odpadowych, oleje parafinowe z plastików, paliwo stałe wtórne RDF z odpadów komunalnych, itp.
Paliwa II-giej generacji są to paliwa stałe, ciekłe lub gazowe, które nie występują samoistnie w Przyrodzie. Są one świadomie i celowo syntezowane z atomów/ molekuł/cząsteczek materii pochodzącej z różnych substancji, najczęściej z substancji odpadowych. W ten sposób mogą powstawać paliwa o określonych z góry właściwościach, w szczególności zaś o pożądanych cechach ekologicznych.
Jedyną w tej chwili technologią prowadzącą do wytworzenia paliw ekologicznych II-go rodzaju jest technologia RMO – technologia Recyklingu Molekularnego Odpadów. Wedle tej technologii paliwa II-go rodzaju można wytwarzać z czegokolwiek, pod warunkiem jednakże, że surowcem wyjściowym będzie materiał organiczny (nie dotyczy nanopaliw).
W Reaktorze Molekularnym Plazmowym lub w Reaktorze Molekularnym Ciekłometalicznym można np. tak poprowadzić proces, ażeby produktami gazowymi procesów termicznych na poziomie molekularnym były gazy :
Po wyeliminowaniu ze strumienia gazów reakcyjnych dwutlenku węgla w znany sposób, otrzymuje się najprostsze, a więc ekologiczne z zasady, paliwa gazowe.
Paliwa gazowe spalają się w sposób pełny i zupełny nie pozostawiając pozostałości procesów spalania w postaci popiołu.
Widok Reaktora RCM – reaktora RMO I-szej generacji:
Samolikwidacja odpadów w systemach RMO
W rozwiązaniach rzeczywistych instalacji Reaktorów Molekularnego Odpadów dowolnego rodzaju ciepło odebrane z gorących gazów procesowych wykorzystywane jest do wstępnego ogrzania wsadowej materii odpadowej wymieszanej z wodą. W ten sposób do Reaktora RCM, jak w tym przypadku, wprowadzony jest wsad o wysokiej już temperaturze, co wpływa na zwiększenie wydajności instalacji. W procesie recyklingu molekularnego odpadów organicznych następuje więc ich unicestwienie, można zatem mówić w tym przypadku o likwidacji i samolikwidacji odpadów.
Reaktory RMO zasilane są energią elektryczną. W naszym systemie energia elektryczna czerpana jest z agregatów prądotwórczych, których silniki diesla zasilane są z kolei paliwem gazowym pozyskanym z odpadów. W ten sposób w naszym systemie, zwanym systemem OPO – „Odpady Pracują na Odpady”. Konsekwentne wdrażanie OPO prowadzi do „zamkniętych obiegów materiałowo – energetycznych w systemach gospodarowania odpadami”.
Zintegrowane Systemy Ekologiczne
Zintegrowane Systemy Ekologiczne w sposób inżynierski wykorzystują właściwości fizyko-chemiczne odpadów i składają się z wielu kaskadowo połączonych urządzeń, z których każde przetwarza inną grupę rodzajową odpadów wytwarzając produkty potrzebne do pracy następnego urządzenia.
Zintegrowane Systemy Ekologiczne mogą mieć różną strukturę. W każdym z tych systemów jednak odpady same dla siebie są źródłem energii i źródłem surowców potrzebnych do pracy poszczególnych urządzeń. Niektóre z tych Systemów można tak zaprojektować, że produktem ich pracy będzie, oprócz efektu niszczenia odpadów, paliwo wodorowe.
Przykład działania takiego Systemu można przedstawić schematycznie w ciągu technologicznym, w którym biomasa użyta jest do przetwarzania odpadowych tworzyw sztucznych na węglowodory ciekłe, które użyte jako paliwo w agregatach prądotwórczych jest źródłem energii elektrycznej i cieplnej zasilającej z kolei reaktory RCM, w których następuje niszczenie innych grup rodzajowych odpadów i produkcja wodoru.
W układzie tym produkcja wodoru jest efektywna ekonomicznie, gdyż zwykle za przyjęcie odpadów do utylizacji pobiera się stosowną opłatę.
Obowiązek mądrego przetwarzania odpadów
Wykorzystanie odpadów organicznych jako paliwa w zamkniętych obiegach materiałowo-energetycznych przynosi wymierne efekty ekologiczne i ekonomiczne. Efekty te mogą być podstawą do wykonania „biznes planów” warunkujących pozyskanie od inwestorów środków finansowych na realizację prezentowanych inwestycji proekologicznych, bez konieczności użycia środków publicznych. Przedstawiona idea, aby „odpady pracowały na odpady” z odzyskiem paliwa wodorowego i energii, może przybliżyć Polskę do sprostania wymaganiom Unii Europejskiej.
Polska jest sygnatariuszem Protokołu Karty Energetycznej Unii Europejskiej Dotyczącego Efektywności Energetycznej i Odnośnych Aspektów Ochrony Środowiska.
Protokół jest podpisany w oparciu o :
„Cykl Energetyczny oznacza cały łańcuch energetyczny obejmujący działania związane z poszukiwaniami, rozpoznawaniem, wydobyciem, przetwarzaniem, magazynowaniem, transportem, dystrybucją, użytkowaniem różnych form energii oraz przetwarzanie i pozbywanie się odpadów, jak również przerwanie, zaniechanie lub zakończenie tych działań przy minimalizacji szkodliwego oddziaływania na środowisko”.
W tym kontekście można stwierdzić, że wysypiska odpadów, jako złoża antropogeniczne, są jedynie wydobytymi już na powierzchnię Ziemi magazynami pierwiastków potrzebnych do syntezowania ekologicznych paliw stałych, ciekłych i gazowych, a przede wszystkim zaś paliw II - generacji.
Te antropogeniczne złoża potrzebnych pierwiastków można traktować jako strategiczne dla Polski zapasy ekologicznych surowców energetycznych, co może mieć duże znaczenie dla Bezpieczeństwa Energetycznego Kraju.
W reaktorach Molekularnych, niezależnie od ich typów, następuje samolikwidacja/samounicestwienie odpadowej materii organicznej bez udziału zewnętrznych źródeł zasilania energetycznego, połączona z wydzielaniem wodoru jako odnawialnego źródła energii w przyszłości, przy tym ten proces zachodzi w sposób ekologicznie czysty.