TECHNOLOGIE EFEKTYWNEGO SUSZENIA SZLAMÓW PRZEMYSŁOWYCH

Transkrypt

1 Biuro Usług Naukowo-Technicznych Przedstawicielstwo Maschinenfabrik Gustav EIRICH TECHNOLOGIE EFEKTYWNEGO SUSZENIA SZLAMÓW PRZEMYSŁOWYCH 1. Wprowadzenie W procesach przemysłowych takich branż jak szeroko pojęta metalurgia, petrochemia, energetyka i górnictwo powstaje wiele różnych odpadów takich jak pyły z urządzeń suchego odpylania czy też szlamy z urządzeń odpylających na mokro. Szlamy powstają również w wyniku nawilżania pyłów w celu ograniczenia wtórnego pylenia. Odpady te, jakkolwiek różnią się pod względem uziarnienia stałych składników czy też wilgotności, to w większości przypadków pod względem składu chemicznego stanowią cenny materiał, tak dla recyklingu, jak i produkcji nowych użytecznych materiałów np. budowlanych. Recykling szlamów staje się możliwy dopiero po pokonaniu problemów technologicznych związanych z nadaniem im formy umożliwiającej ich zastosowanie jako materiału wsadowego w określonym cyklu technologicznym. Wiąże się to z koniecznością nadania tym odpadom formy granulek lub brykietów o akceptowalnej wytrzymałości. Utylizacja szlamów przemysłowych sprowadza się do pokonania technologicznych problemów związanych z tanim i efektywnym kształtowaniem konsystencji, wilgotności i uziarnienia materiałów odpadowych. Pokonanie tych problemów otwiera możliwości efektywnego wykorzystania tych materiałów tak w procesach recyklingu jak i do produkcji materiałów użytecznych. W artykule przedstawiono nowe koncepcje efektywnego suszenia i granulacji w jednym urządzeniu. Przedstawiono też własne doświadczenia w zakresie przerobu różnego typu odpadów przemysłowych. 2. Przerób odpadów przemysłowych w postaci szlamów Najogólniej problemy utylizacji szlamów, bez względu na ich skład chemiczny i fazowy oraz późniejsze zastosowanie, sprowadzają się do takich podstawowych operacji technologicznych jak: mieszanie (proces umożliwiający korektę składu chemicznego), suszenie, granulacja lub brykietowanie (proces prowadzący do redukcji objętości oraz nadający przerabianym odpadom korzystne cechy umożliwiające otwarty transport, składowanie lub recykling). Te zabiegi, charakterystyczne dla klasycznych technologii ceramicznych, muszą być przeprowadzone w sposób efektywny technologicznie i tani. Założeniem podstawowym polityki efektywnego zagospodarowania wszelkiego typu odpadów jest to, aby koszty inwestycyjne i eksploatacyjne instalacji do ich przerobu były możliwie niskie. Te oczekiwania można spełnić upraszczając linię technologiczną do jednego urządzenia, w którym można zrealizować niezbędne zabiegi technologiczne. W opracowaniach [1-6] przedstawiono zalety stosowania w procesie mieszania i granulacji intensywnych mieszalników na przykładzie produktów firmy Maschinen- biuro@bunt.katowice.pl 1

2 fabrik Gustav Eirich. Umożliwiają one m. in. efektywne obniżenie wilgotności szlamów przez ich homogenizację z odpadami suchymi. Ta bardzo ekonomiczna metoda ma jednak znaczne ograniczenia jakie nakłada odpowiednie ustawodawstwo regulujące zabiegi mieszania różnych odpadów. W wielu przypadkach nie dysponuje się suchym odpadem nadającym się do zmieszania ze szlamem, a zastosowanie inertnych materiałów (nie odpadowych) zwiększa objętość odpadu po przerobie, co jest niekorzystne. Połączenie funkcji mieszania i granulacji z efektywnym procesem suszenia (lub tylko podsuszania) szlamów w jedną operację technologiczną wychodzi na przeciw poszukiwaniom coraz to bardziej efektywnych technologii przerobu odpadów pod kątem ich recyklingu lub utylizacji. Skojarzenie procesu suszenia z mieszaniem i granulacją. Znane i stosowane procesy suszenia mogą być podzielone biorąc jako kryterium podziału sposób dostarczania ciepła i warunki suszenia. Wyróżniamy tu suszenie konwekcyjne, próżniowe, nagrzewanie przez promieniowanie i konwekcję. Dla efektywności wykorzystania energii w procesie suszenia ważnym warunkiem jest rozwinięcie powierzchni kontaktu suszonego materiału i medium grzewczego oraz szybkość ewakuacji pary wodnej z powierzchni suszonej. Takie warunki mogą być spełnione w procesie suszenia materiału w czasie jego intensywnego mieszania. Poniżej przedstawiono kilka kolejnych koncepcji wykorzystania mieszalnika jako urządzenia do suszenia szlamów. Rys. 1. Schemat instalacji suszenia konwekcyjnego w systemie otwartym Rys. 2. Schemat instalacji konwekcyjnego suszenia spalinami w systemie otwartym Najprostszy układ (rys. 1.) wykorzystujący mieszalnik intensywny jako przestrzeń wymiany ciepła między wdmuchiwanym powietrzem a silnie napowietrzaną masą szlamu. Intensywne mieszania rozwija powierzchnię kontaktu fazy gazowej i fazy stałej i sprzyja procesowi parowania wody zawartej w szlamie. - prosty proces i możliwość zastosowania konwencjonalnych intensywnych mieszalników. - emisja pyłów, - niska sprawność i efektywność, możliwość usunięcia niewielkich ilości wody w jednostce czasu. biuro@bunt.katowice.pl 2

3 Innowacja w porównaniu z poprzednim rozwiązaniem polega na wykorzystaniu gorących spalin (ciepło odpadowe) zamiast powietrza o temperaturze otoczenia - rys.2. - prosta technologia i możliwość zastosowanie konwencjonalnego mieszalnika, - obniżone ciśnienie w komorze - eliminacja emisji pyłów, - niska temperatura produktu ( C). - wysokie zużycie energii, - niska wydajność procesu, - niemożliwość zabezpieczenia przed zapaleniem lub eksplozją, - problem ekologiczny z gazami odlotowymi, - trudna kontrola postępu procesu - zależność od warunków atmosferycznych, - brak możliwości kontroli temperatury procesu. Rys. 3. Schemat instalacji konwekcyjnego suszenia spalinami w systemie zamkniętym. Rys. 4. Schemat instalacji konwekcyjnego suszenia gorącym powietrzem w systemie zamkniętym, próżniowym. Takie rozwiązanie eliminuje emisję do atmosfery gazów wykorzystywanych w procesie suszenia i pod tym względem jest znacznie atrakcyjniejsze w aspekcie ekologicznym. - prosta technologia - możliwość zastosowanie konwencjonalnego mieszalnika, - obniżone ciśnienie w komorze - eliminacja emisji pyłów, - niska temperatura produktu ( C), - eliminacja problemu ekolo- - wysokie zużycie energii, - niska wydajność procesu, - niemożliwość zabezpieczenia przed zapaleniem lub eksplozją, - trudna kontrola postępu procesu - zapotrzebowanie na wodę chłodzącą, - suszenie konwekcyjne technologia EVACTHERM biuro@bunt.katowice.pl 3

4 gicznego gazów odlotowych, - kontrola końcowej wilgotności, - uniezależnienie od warunków atmosferycznych. Zamknięcie systemu i zastosowanie mieszalnika próżniowego pozwala na wykorzystanie kilku efektów takich jak obniżenie temperatury wrzenia wody i całkowite uszczelnienie instalacji. Praca przy obniżonym ciśnieniu gwarantuje nieprzedostawanie się do otoczenia żadnych oparów, zapachów itp. efektów stanowiących istotny problem przy przerobie niektórych odpadów rys.4. - obniżone ciśnienie w komorze - eliminacja emisji pyłów, - niska temperatura produktu ( C), - eliminacja problemu ekologicznego gazów odlotowych, - kontrola końcowej wilgotności, - uniezależnienie od warunków atmosferycznych, - możliwość stosowanie gazów obojętnych, - małe zużycie gazu obojętnego. - wysokie zużycie energii, - niska wydajność procesu, - trudna kontrola postępu procesu - brak możliwości kontroli temperatury procesu, - zapotrzebowanie na wodę chłodzącą. Rys. 5. Schemat instalacji konwekcyjnego suszenia przegrzaną parą w systemie zamkniętym, próżniowy. Zastąpienie gorącego powietrza przegrzaną parą wodną to kolejny krok w kierunku poprawy efektywności procesu suszenia. Przegrzana para wodna skraplając się przy styku z zimnym materiałem wyjściowym wydziela ciepło parowania i intensywnie nagrzewa szlam do temperatury wrzenia wody pod nastawionym ciśnieniem wewnątrz mieszalnika. Mając ponad dwukrotnie wyższe ciepło właściwe jest znacznie lepszym medium do transportu ciepła. W efekcie taka instalacja jest najefektywniejszym systemem suszenia szlamów i przewyższa tradycyjne suszarnie nie tyl- biuro@bunt.katowice.pl 4

5 ko sprawnością cieplną ale przede wszystkim tym, że produktem suszenia jest granulat, a więc postać bardzo pożądana zarówno przy dalszym recyklingu czy transporcie i składowaniu. Zachodzące w czasie całego cyklu intensywne mieszanie pozwala na przeprowadzenie różnych procesów chemicznych niezbędnych z uwagi na dalsze postępowanie z obrabianym odpadem. - obniżone ciśnienie w komorze - eliminacja emisji pyłów, - niska temperatura produktu ( C), - eliminacja problemu ekologicznego gazów odlotowych, - kontrola końcowej wilgotności, - uniezależnienie od warunków atmosferycznych, - medium suszące para eliminacja zapłonu i wybuchu, - wysoka efektywność suszenia niskie zużycie energii, - pełna kontrola temperatury w procesie suszenia i temperatury produktu. - zapotrzebowanie na wodę chłodzącą, - zapotrzebowanie na parę, - skomplikowana instalacja. Wydajność procesu suszenia w mieszalniku intensywnym Wydajność procesu suszenia szlamów wg przedstawionych wyżej koncepcji jest uzależniona przede wszystkim od warunków odprowadzania wody z suszonego materiału, a więc od ilości materiału znajdującego się w mieszalniku-reaktorze. Dane zgromadzone w testach badawczych jak i w licznej już praktyce przemysłowej przedstawiono w tabl. 1. Tablica 1. Maksymalne ilości odparowanej wody w zależności od technologii i wielkości mieszalnika-reaktora Wielkość mieszalnika Eirich Typ objętość użyteczna Ilość odparowanej wody, kg/h Mieszalnik konwencjonalny EVACTHERM R l - 1 R l RV l RV l RV l RV32/DW l biuro@bunt.katowice.pl 5

6 Rys. 6. Instalacje suszenia i granulacji z zastosowaniem mieszalników RV 32 i RV 19 Suszenie chemiczno-mechaniczne Do suszenia szlamów odpadowych można w niektórych przypadkach wykorzystać ciepło reakcji chemicznych, które i tak w konkretnych technologiach muszą być przeprowadzone. Połączenie efektu cieplnego takich procesów z intensywnym przewietrzaniem mieszanego materiału sprzyja efektywnemu obniżeniu wilgotności, bez konieczności zużycia energii cieplnej. We wdrożonych już w Polsce instalacjach granulacji mułów węglowych (firma Haldex SA) jako źródło energii wykorzystuje się reakcję wilgotnego szlamu z wapnem palonym, który to dodatek z jednej trony zapewnia odpowiednią wytrzymałość granulatu, a z drugiej w procesie spalania jest czynnikiem odsiarczającym spaliny. Rys. 7. Muł o wilgotności 28,5% i granulat uzyskany przy dodatku 1,5% CaO Reakcja tlenku wapnia z wodą zawartą w szlamie wiąże chemicznie wodę, a procesowi temu towarzyszy efekt cieplny. Jedna część wagowa CaO wiąże jedynie 0,32 cz. wag. wody i akceptowalny ekonomicznie dodatek 1-2% CaO nie zapewnia wymaganej redukcji wilgotności. Efektywne wykorzystanie ciepła reakcji pozwala na kilkuprocentową redukcję wilgotności, co już wystarcza do doprowadzenia szlamu do stanu umożliwiającego granulację rys. 7. Wydajność procesu suszenia chemiczno-mechanicznego uzależniona jest od efektu cieplnego reakcji chemicznej. W technologiach utylizacji szlamów zawierających wodorotlenki i węglany wapnia i magnezu ukierunkowanych na produkcję nawozów sztucznych przeprowadza się reakcje tych szlamów z kwasami siarkowymi biuro@bunt.katowice.pl 6

7 i fosforowymi. Efekt cieplny tych reakcji jest tak silny, że problemem jest nie odparowanie wody w celu otrzymania suchego produktu, ale w ogóle kontrola temperatury procesu. Stosując typowe reaktory chemiczne uzyskuje się twardy zbrylony produkt, który następnie musi być mielony i granulowany. Zastosowanie prezentowanych koncepcji technologicznych umożliwia przeprowadzenie tego procesu w jednym urządzeniu wykorzystującym technologię Evactherm. 3. Podsumowanie Prowadzenie procesu suszenia czy też tylko podsuszania szlamów odpadowych w mieszalniku jest efektywnym procesem przygotowania tych odpadów do recyklingu lub utylizacji. Zapewnia wysoką efektywność wykorzystania energii cieplnej ze źródeł zewnętrznych, a także ciepła reakcji chemicznych. Upraszcza linię technologiczną granulacji do jednego urządzenia i stwarza możliwości wysokiego stopnia automatyzacji procesu. Przedstawione wyżej koncepcje są stale rozwijane we współpracy z Działem Badawczo-Doświadczalnym Maschinenfabrik Gustav Eirich, który to dział oferuje klientom próby na skalę przemysłową poszczególnych rozwiązań technologicznych. Technologie te znalazły już cały szereg zastosowań, m. in. opisana wyżej technologia granulacji mułów węglowych to aktualnie siedem instalacji o łącznej wydajności 1 mln t/h eksploatowanych na zasadzie umowy licencyjnej przez Haldex SA i CTL Haldex SA. Rozwiązania te zastosowano w różnych gałęziach przemysłu: Granulacja zaolejonych mułków zendrowych: Wytwarzanie siarczanu magnezu ze szlamu magnezytowego i kwasu siarkowego: biuro@bunt.katowice.pl 7

8 Granulacja hutniczych odpadów poneutralizacyjnych (stabilizacja składników niebezpiecznych): Granulacja szlamów ołowiowych: Granulacja odpadowego sorbentu rafineryjnego: Granulacja kwaśnych smół: 8

9 Granulacja wilgotnego REA gipsu: Oferujemy adaptację tych technologii do konkretnych materiałów i wymagań, co do własności produktu, łącznie z organizacją prób laboratoryjnych i przemysłowych. 4. Literatura [1] Serkowski S. Procesy utylizacji odpadów przemysłowych występujących w formie pyłów i szlamów Ochrona Środowiska i Problemy Odpadów, 6 (2003), s [2] J. Blatz, S. Serkowski, Technologie recyklingu pyłów i szlamów metalurgicznych HUTNIK-Wiadomości hutnicze, 72(5)2005, s [3] Serkowski S., Rockstein K.: Technologie ceramiczne w utylizacji odpadów przemysłowych, Konferencja nt. Nowe Technologie i Materiały w Metalurgii i Inżynierii Materiałowej, Katowice, maj 1998 [4] Serkowski S.: Podstawowe operacje technologiczne w utylizacji odpadów metalurgicznych, Hutnik-Wiadomości Hutnicze, 4, , 1999 [5] Dürr H.: Economic drying and gentle processing of filter cake and sludge s with superheated vacuum steam, Special report, Maschinenfabrik Gustav Eirich GmbH [6] Materiały Informacyjne Maschinenfabrik Gustav Eirich biuro@bunt.katowice.pl 9