Polskie paliwo z odpadów tworzyw sztucznych

Intensywny rozwój cywilizacyjny obserwowany w ostatnich latach spowodował konieczność modyfikacji założeń w dotychczasowym modelu gospodarki. Oczywiste stało się, że dalsza eksploatacja złóż surowców kopalnych przyniesie niekorzystne skutki w dalszej perspektywie. Świadomość ta znalazła swój wydźwięk w kolejnych teoriach gospodarczych. W ten sposób pojawiła się filozofia społecznej odpowiedzialności biznesu, opisująca zjawisko oddziaływania prowadzonej działalności gospodarczej na otoczenie społeczne oraz środowisko naturalne. Ten drugi aspekt z czasem zaczął zyskiwać na tyle duże znaczenie, że zaczęto wręcz używać terminu ekologicznej społecznej odpowiedzialności biznesu, w której na plan pierwszy wysuwa się oddziaływanie gospodarki na środowisko naturalne. Dalszy wzrost świadomości wpływu gospodarki na środowisko ujawnił się w idei zrównoważonego rozwoju, zakładającej dalszy rozwój cywilizacyjny z poszanowaniem środowiska naturalnego i zasobów naturalnych, z troską o jakość życia obecnych i przyszłych pokoleń. U podstaw tej idei leży świadomość postępującej degradacji środowiska naturalnego oraz ograniczoność zasobów naturalnych. Rozwinięciem czy też uszczegółowieniem teorii zrównoważonego rozwoju jest zyskująca coraz większe znaczenie idea gospodarki cyrkularnej. Oznacza ona model gospodarki o obiegu zamkniętym, w którym surowce naturalne są wielokrotnie wykorzystywane. Tym samym odpad w jednym procesie produkcyjnym jest surowcem w kolejnym procesie. Określone w ten sposób założenia gospodarki cyrkularnej są wyrazem troski o środowisko i zasoby naturalne oraz implikują stosowanie restrykcyjnych przepisów w zakresie gospodarki odpadami.

Realne zagrożenie ekosystemu vs efektywny recykling

Stale rosnąca ilość odpadów stanowi obecnie coraz większe wyzwanie cywilizacyjne. O ile przyrost ten można uznać za normalny proces towarzyszący rozwojowi cywilizacyjnemu w kontekście przyrostu populacji, o tyle koszty środowiskowe, jakie ta sytuacja generuje, są absolutnie nieakceptowalne. Szczególnie wyraźnie widać to w przypadku odpadów tworzyw sztucznych, stanowiących dużą uciążliwość dla środowiska z uwagi na ogromny wolumen wynikający z powszechnego stosowania, długotrwałej biodegradacji oraz trudnego procesu recyklingu.

W 2016 r. na całym świecie wyprodukowano ponad 335 milionów ton plastiku, a tylko mniej niż 1% ulega biodegradacji. Sytuacja ta jest coraz większym problemem zagrażającym ekosystemowi. 75% odpadów tworzyw sztucznych jest bowiem realnie składowanych na wysypiskach lub kończy bezpośrednio w środowisku naturalnym, w tym 8 milionów ton rocznie w morzach i oceanach. Najbardziej znany i opisywany jest przypadek wielkiej góry śmieci dryfującej na Oceanie Spokojnym między Kalifornią a Hawajami, która - według szacunków - jest już trzy razy większa od Francji. Głównym składnikiem tej swoistej wyspy wstydu czy też ludzkiej nieodpowiedzialności są odpady plastikowe o wielkości powyżej 5 cm, stanowiące (według szacunków) ponad 95% jej masy. Jednak znacznie groźniejszy jest mikroplastik, czyli drobinki tworzyw nieulegające biodegradacji, które przedostają się do organizmów żywych. Opisywana dryfująca plama plastiku jest tylko najbardziej spektakularnym przykładem takich "pływających obiektów" - szacuje się, że we wszystkich oceanach świata dryfują miliony ton odpadów tworzyw sztucznych, czyli śmieci, które nie ulegają biodegradacji. Sytuacja jest bardzo poważna i stanowi realne zagrożenie ekosystemu. W obliczu górnolotnych teorii rozwoju opisanych powyżej jawi się to jako ogromna porażka cywilizacyjna, wymagająca natychmiastowych interwencji.

Nawet w UE, przy najbardziej rygorystycznych przepisach, mniej niż 32% podlega recyklingowi, reszta jest spalana, składowana lub eksportowana. Ponadto wprowadzony przez Chiny w styczniu 2018 r. zakaz importu odpadów powoduje, że ich eksport stał się bardzo trudny dla rozwiniętych gospodarek. Od lat 80. Chiny były bowiem największym światowym importerem odpadów - trafiało tam nawet 87% plastikowych odpadów z Europy.

Sytuacja ta w połączeniu z istniejącymi przepisami w zakresie gospodarki odpadami, w tym odpadami tworzyw sztucznych, mocno komplikuje problem dalszego postępowania z odpadami. Przykładami wspomnianych przepisów może tu być:

zakaz składowania odpadów powyżej 6 MJ/kg,
wymagany poziom recyklingu sięgający 50% do 2020 r.,
100% recyklingu opakowaniowych tworzyw sztucznych od 2030 r.

Jedyną drogą realizacji tego typu wytycznych wydaje się być efektywny recykling, możliwy do zrealizowania poprzez zastosowanie innowacyjnych technologii. Czyli taki, który skutkuje przetworzeniem odpadów w możliwie najwyższą wartość dodaną. Tylko wtedy można w pełni realizować ideę gospodarki cyrkularnej. Zjawisko to zaprezentowano na rys. 1.

Warto przy tym jeszcze uświadomić sobie, że spalanie - będące alternatywnym wobec przetwarzania sposobem postępowania z odpadami - jest najprymitywniejszą (obok składowania) formą gospodarki odpadami. Spalanie jest bardzo kapitałochłonne i stanowi jedną z najdroższych metod wytwarzania energii i eliminacji odpadów. W porównaniu z recyklingiem spalanie tworzyw sztucznych generuje prawie trzykrotnie większą emisję gazów cieplarnianych, a wychwytuje jedynie 20% energii zawartej w plastiku.

To, co wyróżnia opracowaną technologię przetwarzania odpadów tworzyw sztucznych, to fakt, że w zachodzącym procesie może nastąpić przekształcenie odpadu w pełno normatywne paliwo lub jego komponenty, co wychodzi naprzeciw kończącym się zasobom naturalnym, a jednocześnie stwarza możliwość wywiązania się z norm recyklingowych i stwarza okazję do rozwoju projektu o charakterze komercyjnym. Tym samym wdrażana jest w życie idea synergii działania misyjnego (ratowanie środowiska) oraz komercyjnego (wytwarzanie komponentów paliw): środowisko - rozwój gospodarczy - biznes.

Pierwsze takie rozwiązanie na świecie

Autorzy artykułu, technologii przetwarzania odpadów tworzyw sztucznych poświęcili ostatnie kilkanaście lat aktywności zawodowej. Sam proces wykorzystywany w technologii jest znany od kilkudziesięciu lat, chodzi o to, że dotychczas stosowaną metodę trzeba było usprawnić. Metoda ta - określana mianem termolizy - opiera się na prostej zasadzie: podgrzane do odpowiednio wysokiej temperatury tworzywo sztuczne upodabnia się do węglowodorów, które występują w benzynie, oleju napędowym czy w oleju grzewczym. Istniejące instalacje nie mogą jednak pracować przez cały czas - trzeba je często zatrzymywać, aby je chłodzić i czyścić.

Prace nad projektem ulepszenia technologii depolimeryzacji trwały osiem lat. Wykonano w tym czasie aż osiem różnego rodzaju instalacji pilotażowych, w których testowane były różne rozwiązania. Skutek nie był jednak zadowalający. Dopiero cztery lata temu zespół ekspertów wpadł na rozwiązanie, które pozwoliło ominąć wszystkie problemy. Rozwiązanie to pozwala na prowadzenie tego procesu rozkładu tworzyw sztucznych bez żadnych strat, np. osadów czy pojawiania się niepożądanych związków chemicznych w produkcie. To pierwsze takie rozwiązanie na świecie.

Źródło problemu tkwi w specyfice samego surowca. Tworzywa sztuczne mają cechy bardzo pożądane w użytkowaniu, takie jak odporność chemiczna, odporność na procesy starzenia, odporność na działanie mikroorganizmów, wytrzymałość mechaniczna, łatwość obróbki i właściwości fizyczne, takie jak nieprzewodzenie prądu elektrycznego i ciepła. Te parametry, którym tworzywa sztuczne zawdzięczają swoja popularność, stają się utrudnieniem, szczególnie w procesach biodegradacji i w procesach recyklingu chemicznego, a w szczególności wszelkich procesach termicznych czy termokatalitycznych.

Dotychczas znane rozwiązania do pirolizy/depolimeryzacji odpadowych tworzyw sztucznych (a było ich wiele) borykały się przede wszystkim z problemem koksowania na powierzchniach grzewczych reaktorów, powstawania w procesie wysokowrzących wosków i terów będących produktem ponownej polimeryzacji nienasyconych związków węglowodorowych (które są naturalnym produktem krakingu długich łańcuchów polimerowych) oraz bardzo szerokim zakresem temperatury wrzenia produktów (koniec destylacji 450ºC i więcej, gdy frakcje paliw płynnych mogą mieć temperaturę wrzenia maksymalnie 360ºC). Nienasycony charakter produktów pirolizy/depolimeryzacji (50% i więcej) uniemożliwiał zastosowanie tych produktów jako paliw silnikowych czy ich komponentów.

W dalszych pracach nad usprawnieniem procesu przetwarzania odpadów tworzyw sztucznych w komponenty paliw silnikowych autorów zainspirował również Instytut Chemii Przemysłowej. To z tej instytucji pochodzi opatentowane rozwiązanie pozwalające na uszlachetnianie (uwodornienie) niższym kosztem (w procesie bezciśnieniowym) otrzymywanego paliwa tak, aby spełniało normy paliw samochodowych. Ponadto bardzo istotnym elementem rozwoju opisywanej technologii jest wkład Przemysłowego Instytutu Motoryzacji "PIMOT" - pionu paliw i biogospodarki. Dokonane wspólnie analizy produktów procesu oraz współpraca w zakresie ustalenia parametrów procesu doprowadziły do optymalizacji technologii.

Przełom w badaniach

Przełomowym rozwiązaniem technologicznym było znalezienie sposobu na rozwinięcie powierzchni wymiany ciepła i masy pomiędzy tworzywem a powierzchniami grzewczymi reaktora, produktami dekompozycji tworzywa w różnych fazach procesu a "świeżym surowcem" i sposobu regulacji czasu przebywania surowca w przestrzeni reakcyjnej. Zastosowanie ruchomego złoża w kolumnie destylacji reaktywnej stanowiącej reaktor termolizy okazało się poszukiwanym rozwiązaniem, a prowadzenie procesu termolizy w atmosferze gazu syntezowego pozwoliło na uzyskiwanie większej ilości wysyconych węglowodorów, wyższej kaloryczności gazów procesowych i uzyskanie produktów ciekłych o temperaturze wrzenia do 360ºC.

Tajemnicą sukcesu jest rozwinięcie powierzchni wymiany ciepła tak, aby ogrzewane w reaktorze odpady tworzyw sztucznych rozpływały się na powierzchni wymiany ciepła warstwą nie grubszą niż 1 mm. To oznacza, że na każdą tonę podgrzewanego tworzywa przypada powierzchnia wymiany ciepła o wielkości 1000 m2.

Naukowcy osiągnęli to, rozprowadzając każde 500 kg tworzywa na powierzchni 500 m2 (powierzchnia właściwa/własna 1 m3 wypełnienia - pierścieni Rashiga). Rozwiązanie to uzyskało już ochronę patentową w Polsce, a zastrzeżenia patentowe na świecie są w toku realizacji.

Używając bardziej technicznego opisu technologii, można stwierdzić, iż umożliwia ona skuteczny i wydajny recykling zmieszanych odpadów polimerów (plastiku) - w szczególności z poliolefin (polietylen - PE, polipropylen - PP i polistyren - PS). Po recyklingu produktem końcowym są przystające do norm UE komponenty paliwa Diesel EN590, komponenty benzyn EN228 i frakcje paliwa lotniczego.

Cechy wyróżniające opisywaną technologię:

zanieczyszczone (bez konieczności mycia) mieszaniny poliolefin stosowane jako surowiec,
wysoka wydajność recyklingu w granicach 83-90% w zależności od mieszanki tworzyw sztucznych,
minimalna ilość 1-2% produktu ubocznego - suchy koks węglowy (towar, który może być sprzedany),
proces jest zaplanowany do pracy w trybie ciągłym,
proces przebiega pod ciśnieniem atmosferycznym i w temperaturze poniżej 450ºC,
proces jest samowystarczalny energetycznie, zapewniając sobie gaz procesowy jako paliwo wykorzystywane do jego obsługi.

To, co jest bardzo istotne, to fakt, że zarówno cały proces, paliwa z końcowych produktów, jak i emisje są przetestowane przez Przemysłowy Instytut Motoryzacji PIMOT (podległy Ministerstwu Przedsiębiorczości i Technologii). Technologia zawiera opatentowane rozwiązanie termolizy i jest czteroetapowym, niskociśnieniowym procesem konwersji odpadów tworzyw sztucznych (PP, PE i PS) do frakcji węglowodorowych typowych dla olejów napędowych i benzyny. Proces ten w uproszczeniu przedstawia rys. 2.

Warto podkreślić, że potrzebny do opisywanego procesu surowiec jest odpadem sprawiającym bardzo duży kłopot w Polsce i na całym świecie. Nie chodzi zatem o to, aby paliwo z odpadów tworzyw sztucznych zastąpiło na rynku paliwa rafineryjne. Nie jest to możliwe - z zużywanego w Polsce plastiku można by rocznie wytworzyć ok. 500 tys. ton paliw, czyli około 3% całego rynku paliw. Zatem nie będziemy jeździć wyłącznie na czystym paliwie z odpadów tworzyw sztucznych - prawdopodobnie będzie ono komponowane z paliwami rafineryjnymi. Zatem opisywana technologia pozwala zagospodarować odpady tworzyw sztucznych w sposób generujący możliwie maksymalną wartość dodaną w postaci paliwa napędowego. Innymi słowy, jest to najbardziej opłacalna metoda przetwarzania odpadów tworzyw sztucznych, wytwarzająca najwyższą jakość paliwa płynnego w porównaniu z jakąkolwiek znaną technologią.

Ale, oczywiście, opracowane rozwiązanie to jedna z propozycji efektywnego przetworzenia tych odpadów, które w innym wypadku trafiają na składowiska czy do oceanów bądź też są spalane w piecach węglowych, przyczyniając się do problemu smogu.

Co dalej...

Opisywane rozwiązanie zdobyło duże uznanie i liczne nagrody, m.in. Grand Prix i złote medale przyznawane na największych targach innowacji i technologii w Europie: IENA, INNOVA, ARCHIMEDES i INTARG. Pojawiło się bardzo wiele firm i instytucji zainteresowanych wdrożeniem opisanej technologii. Autorzy pracują już nad nowymi technologiami środowiskowymi, a w niedługim czasie uruchomią kolejną instalację badawczą. Pierwszy zakład działający na skalę przemysłową ma powstać za półtora roku.