(86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego: ,PCT/US95/10437

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) ( 2 1 ) Numer zgłoszenia: ( 2 2 ) Data zgłoszenia: (86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego: ,PCT/US95/10437 (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego: , W O96/07054, PCT Gazette nr 11/96 (13) B1 (51) IntCl7 F23G 5/04 F23J 1/08 B09B 3/00 (54) Sposób przetwarzania szlamu z papierni lub podobnych szlamów organicznych (30) Pierwszeństwo: ,US,08/ (73) Uprawniony z patentu: MINERGY CORP., Milwaukee, US (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 14/97 (72) Twórcy wynalazku: Timothy M. Nechvatal, Brookfield, US Thomas J. Jansen, Mequon, US (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 05/01 (74) Pełnomocnik: Wierzchoń Jan, JAN WIERZCHOŃ & PARTNERZY, Biuro Patentów i Znaków Towarowych S.c. PL B1 (57)1. Sposób przetwarzania szlamu z papierni lub podobnych szlamów organicznych, o zawartości popiołu wynoszącej 20%-50% w suchej masie, na drodze spalania, znamienny tym, że wprowadza się szlam do pieca cyklonowego wraz z drugim źródłem paliwa, spala się ten szlam i odzyskuje się ciepło powstałe podczas spalania szlamu oraz przetwarza się popiół zawarty w szlamie w żużel. FIG. 1

2 Sposób przetwarzania szlamu z papierni lub podobnych szlamów organicznych Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób przetwarzania szlamu z papierni lub podobnych szlamów organicznych, o zawartości popiołu wynoszącej 20%-50% w suchej masie, na drodze spalania, znamienny tym, że wprowadza się szlam do pieca cyklonowego wraz z drugim źródłem paliwa, spala się ten szlam i odzyskuje się ciepło powstałe podczas spalania szlamu oraz przetwarza się popiół zawarty w szlamie w żużel. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przed wprowadzeniem do pieca cyklonowego suszy się szlam do zawartości wilgoci odpowiedniej do manipulowania tym szlamem. 3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że suszy się szlam do zawartości wilgoci wynoszącej około 20% lub mniej. 4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że przed spalaniem aglomeruje się szlam w granulki. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że usuwa się roztopiony żużel z pieca. 6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że roztopiony żużel formuje się w produkt podobny do szkła. 7. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że roztopiony żużel kształtuje się we włókna. * * * Przedmiotem wynalazku jest sposób przetwarzania szlamu z papierni lub podobnych szlamów organicznych, o zawartości popiołu wynoszącej 20%-50% w suchej masie. Jest znane spalanie szlamów z papierni z wykorzystaniem kotłów ze złożem fluidalnym. Spalanie szlamów pozwala na wykorzystanie zawartego w nich ciepła, powoduje odparowanie zawartej w nich wilgoci i zmniejsza ilość odpadów. Otrzymane odpady usuwa się, na przykład wypełniając zagłębienia w ziemi. Piece cyklonowe są używane od wielu lat do spalania węgła w kotłach energetycznych. Charakterystyczne dla pieców cyklonowych jest to, że wytwarzają one żużel, który ma konsystencję szkła. Żużel z kotłów cyklonowych opalanych węglem jest używany jako materiał konstrukcyjny do budowy dróg, jako materiał ścierny lub grys oraz w wyrobach do krycia dachów. Piece cyklonowe są również używane do spalania stałych paliw odpadowych jako paliw dodatkowych lub do spalania olejów opałowych albo gazów w charakterze paliwa głównego, dodatkowego lub początkowego. Kiedy paliwa odpadowe są używane wraz z węglem, takie dodatkowe paliwo zazwyczaj ma stosunkowo małą zawartość popiołu, daje mniej niż 20% doprowadzanego ciepła i ma mniejszy układ procentowy w masie paliwa doprowadzanego do pieca cyklonowego. Z opisu patentowego US nr jest znane spalanie ługu czarnego w piecu cyklonowym. Ług czarny powstaje we wczesnym etapie procesu roztwarzania surowców do produkcji papieru. Jest to ciecz o konsystencji oleistej. W tym procesie spalania ług czarny jest jedynym źródłem paliwa, a proces prowadzi się w celu odzyskania związków do procesu roztwarzania. Zasadniczym celem wynalazku jest opracowanie sposobu przetwarzania szlamu z papierni lub podobnych szlamów organicznych, o zawartości popiołu wynoszącej 20%-50% w suchej masie, ekonomicznie i bezpiecznie dla środowiska. Innym celem wynalazku jest opracowanie sposobu odzyskiwania ciepła zawartego w szlamie, przy równoczesnym wytwarzaniu użytecznego produktu z popiołu zawartego w tym szlamie.

3 Sposób przetwarzania szlamu z papierni lub podobnych szlamów organicznych, o zawartości popiołu wynoszącej 20%-50% w suchej masie, na drodze spalania, według wynalazku charakteryzuje się tym, że wprowadza się szlam do pieca cyklonowego wraz z drugim źródłem paliwa, spala się ten szlam i odzyskuje się ciepło powstałe podczas spalania szlamu oraz przetwarza się popiół zawarty w szlamie w żużel. Przed wprowadzeniem do pieca cyklonowego, korzystnie, suszy się szlam do zawartości wilgoci odpowiedniej do manipulowania tym szlamem. W szczególności, suszy się szłam do zawartości wilgoci wynoszącej około 20% lub mniej. Przed spalaniem, ewentualnie, aglomeruje się szlam w granulki. Korzystnie, usuwa się roztopiony żużel z pieca. W szczególności, roztopiony żużel formuje się w produkt podobny do szkła. Roztopiony żużel, ewentualnie, kształtuje się we włókna. Korzystnie, jako drugie źródło paliwa stosuje się gaz ziemny, natomiast ciepło pochodzące ze spalania szlamu stanowi 40% lub więcej ciepła uzyskiwanego ze spalania w piecu cyklonowym. Szlam może stanowić większość w masie paliwa doprowadzanego do pieca cyklonowego w jednostce czasu. Do szlamu można dodawać topnik, taki jak kamień wapienny, aby zapewnić powstawanie pożądanego szklistego żużla w temperaturach pracy. Wartość opałowa szlamu wynosi zazwyczaj kj/kg suchej masy. Chociaż szlamy z papierni są korzystnym źródłem opału, inne szlamy o podobnej zawartości popiołu i podobnej wartości opałowej nadają się do użycia, np. kanalizacyjny osad ściekowy lub szlamy ze ścieków z innych dziedzin przemysłu. Ciepło ze spalania szlamu jest wykorzystywane przez kocioł lub inny wymiennik ciepła dołączony do pieca. Duża zawartość popiołu w szlamie jest przechwytywana w żużlu, który po ochłodzeniu ma litą, wytrzymałą, twardą, trwałą, szklistą konsystencję, podobną do konsystencji żużla ze spalania węgla w piecu cyklonowym, umożliwiającą łatwe manipulowanie nim przy wykorzystywaniu go w charakterze materiału budowlanego, ściernego, na wyroby do krycia dachów lub do innych użytecznych celów. Wszelkie metale ciężkie lub inne składniki niebezpieczne lub niepożądane w popiele są przechwytywane w szklistym żużlu. Przykład. Piec cyklonowy do spalania szlamu, do realizacji sposobu według wynalazku, został pokazany, w przykładzie wykonania, na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia piec cyklonowy dostosowany do spalania szlamu z papierni, we wzdłużnym, schematycznym przekroju, natomiast fig. 2 przedstawia piec z fig. 1 w przekroju poprzecznym wzdłuż linii 2-2. Piec cyklonowy zawiera komorę cyklonową 10, która jest cylindrem chłodzonym wodą. Komora cyklonowa 10 zawiera wlot 11 powietrza pomocniczego, który wchodzi w komorę cyklonową 10 stycznie, jak pokazano na fig. 2. Palniki gazowe 12 są zamontowane przy wlocie powietrza 11 do komory cyklonowej 10. Przy palnikach 12 umieszczony jest zapalacz 13 gazu. Wzdłuż komory cyklonowej 10 są rozmieszczone w odstępach wtryskiwacze 14. Szlam wraz z powietrzem pierwotnym wchodzi do komory cyklonowej 10 poprzez wtryskiwacze 14. Powietrze pierwotne i powietrze pomocnicze powodują przepływ wirowy gazu ziemnego, szlamu i powietrza wewnątrz komory cyklonowej 10 i z komory 10 do wnętrza pieca 15. Piec 15 może być dołączony do kotła jednym z wielu znanych sposobów. Na wewnętrznej powierzchni komory cyklonowej 10 powstaje żużel. Roztopiony żużel wypływa poprzez otwór 16 spływania żużla i przechodzi do spustu 17 żużla, skąd roztopiony żużel jest usuwany i zazwyczaj schładzany przez gaszenie. Testy badań pilotowych spalania szlamu z papierni w piecu cyklonowym przeprowadzono w małym symulatorze kotła Babcock & Wilcox, który był opalany przez pojedynczą, zminiaturyzowaną wersję pieca cyklonowego Babcock & Wilcox. Testy badania pilotowego prowadzono na mieszaninie szlamów z papierni z dodaniem kamienia wapiennego w charakterze topnika oraz na szlamie z jednego źródła bez topnika. Poniżej podano wyniki przybliżonej analizy technicznej i analizy pierwiastkowej mieszaniny szlamów z wapieniem w stanie jak otrzymano, po spaleniu i w stanie suchym.

4 Mieszany szlam z papierni z kamieniem wapiennym Stan Jak otrzymano Po spaleniu Suchy Przybliżona analiza techniczna, % Wilgoć 50,79 18,34 - Składniki lotne 24,61 40,84 50,01 Związany węgiel 1,40 2,33 2,85 Popiół 23,20 38,49 47,14 Wartość opałowa brutto kj/kg kj/kg (bez M&A) Analiza pierwiastkowa, % W ilgoć 50,79 18,34 - Węgiel 11,06 18,36 22,48 Wodór 1,36 2,26 2,77 Azot 0,28 0,47 0,57 Siarka 0,08 0,14 0,17 Chlor 0,03 0,05 0,06 Popiół 23,20 38,49 47,17 Tlen (różnica) 13,20 21,89 26,81 Razem 1 0 0, , , 0 0 Razem węglany, % CO2 6,94 9,86 12,08 Węglan wapnia, % CaCO3 (obliczone) 13,91 22,42 27,47 Analiza popiołu, % Analiza popiołu, % Krzem jako SiO2 31,93 Sód jako Na2 O* 0,32 Glin jako A l2o3 23,32 Potas jako K 2 O* 0,45 Żelazo jako Fe2 O3 1,25 Siarka jako SO3 1,84 Tytan jako TiO2 5,63 Fosfor jako P2O5 < 0, 1 0 Wapń jako CaO 28,23 Razem węglany jako % CO2 1,34 Magnez jako MgO 5,53 Cynk jako ZnO 0,08 * za pomocą fotometru płom ieniowego Szlam należy korzystnie wysuszyć do 20% lub mniejszej zawartości wilgoci przed wprowadzeniem go do pieca cyklonowego. Wysuszony szlam z kamieniem wapiennym przepuszczany był przez sito 0,95 cm przed wprowadzeniem do podajnika zasilającego piec cyklonowy. Przeprowadzono testy przy doprowadzaniu do pieca ciepła ze szlamu w ilości 10-40% całej ilości ciepła doprowadzanego do pieca. W pierwszych badaniach drugim źródłem paliwa był gaz ziemny. Piec cyklonowy był gorący, a ze spustu żużlowego wypływał żużel. Żużel przy współstosowaniu szlamu do opalania pieca był lity, twardy, wytrzymały i trwały oraz podobny do żużla ze spalania węgla w piecu cyklonowym. Po przeprowadzeniu, z powodzeniem, współspalania szlamu i gazu ziemnego w małym symulatorze kotła przeprowadzono badania, w których dodawano rozdrobnione opony, by zmniejszyć zużycie gazu ziemnego. Paliwo pochodzące z rozdrobnionych opon przepuszczano przez

5 sito 1,27 cm i mieszano ze szlamem. Testy prowadzono z doprowadzaniem około 10-20% ciepła z opon, 40% ze szlamu, a resztę z gazu ziemnego. Wyniki obu badań były zadowalające. Chociaż w badaniach pilotowych wykorzystywano szlam w ilości dającej mniej niż połowę doprowadzanego ciepła w przeliczeniu na doprowadzaną masę (tzn. w kilogramach opału na godzinę), to jednak wykorzystanie szlamu przewyższało wykorzystanie gazu ziemnego. Chociaż szlam z papierni zawierał tylko niewielkie ilości metali ciężkich, to jednak te metale ciężkie były przechwytywane w żużlu. Żużel poddano badaniu ługowania. Wyniki były porównywalne zarówno w przypadku szlamu papierniczego z jednego źródła jak i szlamu złożonego z dodatkiem kamienia wapiennego w charakterze topnika. Ponieważ szlam papierniczy pochodzący z jednego źródła może być nieodpowiedni jako paliwo uzupełniające do pieca cyklonowego ogrzewającego kocioł, możliwe jest mieszanie szlamów papierniczych. Mieszanie szlamów może stanowić część procesu bębnowego suszenia szlamów. Przy eksploatacji dużych pieców cyklonowych optymalny wymiar dla szlamu wynosi 0,95-1,58 cm. Ponadto, dla ułatwienia manipulowania może być pożądane zbrylanie szlamu w granulki. Wapień lub inne topniki mogą nie być konieczne. To, czy topnik jest potrzebny, zależy od lepkości żużla tworzonego przez szlam. Standardową miarą jest temperatura T-250, tzn. temperatura, przy której żużel ma lepkość 25 Pa s (250 P). Jeżeli temperatura T-250 jest poniżej temperatur pracy w piecu cyklonowym, topnik nie jest konieczny. Chociaż żużel jest zwykle szybko schładzany przez gaszenie, a następnie kruszony do dalszego wykorzystania, roztopiony żużel może być dostarczany bezpośrednio do operacji kształtowania w użyteczne wyroby, takie jak cegły lub płytki albo do wytwarzania substancji włóknistej, takiej jak wełna żużlowa. Żużel, niezależnie od sposobu chłodzenia, będzie miał konsystencję podobną do szkła. Jeżeli potrzebne jest zasypywanie zagłębień w ziemi, żużel w tym stanie jest łatwy do manipulowania w porównaniu ze szlamem lub popiołem. Sposobem według wynalazku można przetwarzać szlamy ściekowe lub inne szlamy uzyskiwane z oczyszczania ścieków przemysłowych. Szlamy takie mają podobną zawartość składników lotnych, podobne składniki organiczne i podobną zawartość popiołu jak szlamy z papierni, Optymalne wyniki uzyskuje się w konwencjonalnych piecach cyklonowych przy stosowaniu częściowo wysuszonego szlamu (tzn. mającego zawartość wilgoci około 20% lub mniej). Wilgotny szlam można jednak za pomocą odpowiedniego sprzętu dostosować do doprowadzania do pieca, jeśli jest wytwarzana wystarczająca ilość ciepła do odparowania wilgoci przy utrzymaniu temperatur wystarczająco wysokich dla wytworzenia żużla. Szlam może dostarczać więcej niż 50% wartości ciepła z paliwa doprowadzanego do pieca cyklonowego. Jest to wtedy, gdy zawartość wilgoci w szlamie doprowadzanym do pieca jest niewielka lub jeśli zawartość popiołu jest mała. Ponadto, dodanie większej ilości topnika spowoduje zmniejszenie temperatury potrzebnej do wytwarzania żużla i umożliwia dostarczenie większej części ciepła przez szlam. Rozdrobnione opony mogą być współspalane ze szlamem z papierni, by zmniejszyć zużycie gazu ziemnego. Jako paliwo uzupełniające może być stosowany węgiel lub olej opałowy. We wszystkich przypadkach masowe natężenie przepływu szlamu może przewyższać masowe natężenie przepływu innych paliw doprowadzanych do pieca cyklonowego. Większość popiołu ze szlamu topi się w żużel, a tylko niewielka część popiołu (mniej niż 5%) dostaje się prawdopodobnie do spalin.

6 FIG. 1 FIG. 2 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz. Cena 2,00 zł.