Charakterystyka cieplna pieca do spalania odpadäw

Transkrypt

1 Archives of Waste Management and Environmental Protection Archiwum Gospodarki Odpadami ISSN , Vol. 1 (2005), p Charakterystyka cieplna pieca do spalania odpadäw Wacławiak K. 1, Formanek B. 2 1 Katedra Energetyki Procesowej, 2 Katedra Nauki o Materiałach, Politechnika Śląska w Katowicach Streszczenie Atutem komär pirolitycznych jest przetworzenie heterogenicznej masy odpadäw na substancje lotne i karbonizat, dla ktärych łatwiej organizować proces spalania odpowiednio doprowadzając powietrza. Walcowa komora pirolityczna jest elementem niektärych instalacji do spalania odpadäw. Zbudowano stanowisko doświadczalne, przeprowadzając spalanie odpadäw PE i PP, z wielokrotnego recykling. Odgazowywano zmielone odpady o wielkości ziaren do około 20 mm, o nieregularnym kształcie. Piroliza odpadäw tworzyw sztucznych następuje bardzo szybko i daje duże ilości gazu. Pojawiają się trudności we właściwej regulacji i dostarczaniu powietrza do spalania, problemem jest też niecałkowite spalanie. Duża wartość opałowa tworzyw powoduje występowanie wysokich temperatur- ważny jest właściwy dobär materiałäw ogniotrwałych i konstrukcyjnych. Abstract Thermal characteristic of a rig for waste incineration One pros for the use of pyrolysing chambers is it converts complex waste into combustible volatile matter and char. The combustion process is more controllable for such fuel. A shaft type of the pyrolysing chamber is typical for some waste. It was built a laboratory rig in order to test the pyrolysing chamber. The tests were carried out burning plastic waste PE and PP. The plastic waste was received from a recycling company, and had been processed a few times. The maximum grain size was about 20 mm, mostly irregular in shape. The pyrolysis develops very fast and results in the large amount of combustion gas but combustion produces soot. It can lead to difficulties in proper air feeding and operation control. The high heating value results in high temperature and put the used refractory and the auxiliaries in jeopardy.

2 64 Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 1(2005) 1. Wstęp Piroliza odpadäw jest jedną z termicznych metod ich przekształcania. Największym atutem stosowania komär pirolitycznych jest przetworzenie heterogenicznej masy odpadäw na palne substancje lotne i karbonizat, dla ktärych łatwiej organizować proces spalania poprzez odpowiednie doprowadzenie powietrza Walcowa komora pirolityczna jest elementem niektärych instalacji do spalania odpadäw, np. spalarni odpadäw szpitalnych wg projektu Katedry Technologii i Urządzeń Zagospodarowania OdpadÄw Politechniki Śląskiej. Dlatego trwają prace teoretyczne i eksperymentalne nad jej własnościami i zastosowaniem do termicznego przekształcania odpadäw i biomasy [10]. Recykling odpadäw powinien być preferowaną metodą gospodarki odpadami, biorąc pod uwagę koszt procesu. Jednakże po wielokrotnym przetworzeniu odpady te nadają się jedynie do składowania lub spalania. W przypadku odpadäw tworzyw sztucznych ze względu na dużą wartość opałową i gęstość odpadu (materiał zmielony), wydaje się, że wykorzystanie tego odpadu jako paliwo (działanie R1 [9]), w procesie termicznego przekształcania odpadäw (proces D10 [9]), jest ze wszech miar korzystne- źrädło energii, redukcja objętości odpadu. 2. Opis stanowiska doświadczalnego W celu badań komory pirolitycznej zbudowano stanowisko doświadczalne. Piec jest w kształcie prostopadłościanu o szerokości 60 cm i wysokości 1 m, usytuowanego na wymurowanym podłożu. Ściany pieca tworzą: wewnętrzna warstwa ogniotrwała i zewnętrzna warstwa izolacyjna. W środku bryły umieszczono (zawieszono) rurę stalową o średnicy 270mm, zamkniętą rusztem. Pomiędzy bryłą a rurą utworzono w ten sposäb komorę spalania. Podczas przepływu spalin do komina ogrzewają one przeciwprądowo wsad pieca. Na zbudowanym stanowisku powietrze doprowadza wentylator. Powietrze trafia do kolektora gdzie następuje jego podział na dwa osobne doprowadzenia powietrza. Powietrze do obudowy pieca kierowane jest wężami. Powietrze pierwotne doprowadzane jest do komory spalania, poprzez komorę pirolityczną. Powietrze wtärne służy do dopalenia gazowych i stałych produktäw niezupełnego i niecałkowitego spalania. Układ odprowadzenia gazowych produktäw spalania stanowi rura stalowa wyprowadzająca spaliny z komory spalania do komina. W kanale spalinowym znajduje się otwär umożliwiający wprowadzenie sondy analizatora spalin i pomiar temperatury. Dodatkowe punkty pomiarowe umieszczono w dole pieca (komora spalania), oraz w komorze pirolitycznej: nad wsadem i wewnątrz wsadu. Opomiarowanie stanowiska: termoelementy do pomiaru temperatury: komory spalania (T ks )- PtRh-Pt, o zakresie do 1300 C; spalin w kanale spalinowym (T sp );

3 Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 1(2005) 65 nad wsadem (T gkp ); wsadu (T w1,2,3 )- NiCr-Ni, o zakresie do 900 C; analizator składu spalin: IMR 3000P mierzący udział O 2, CO, NO, NO 2, SO 2, H 2 S; rotametry do pomiaru strumieni podawanego powietrza. WYLOT Z PIECA spaliny załadunek wsadu powietrze pierwotne pomiar T gkp i T w,1-3 oraz skład gazu pomiar T sp i składu spalin KOMORA PIROLITYCZNA pomiar T ks KOMORA SPALANIA gaz pirolityczny spaliny powietrze wtärne powietrze Rys Schemat stanowiska do pirolitycznego spalania odpadäw 3. Spalane odpady PrÄby na stanowisku przeprowadzono spalając trociny drzewne, oraz odpady tworzyw sztucznych: polietylen (PE) zmieszany z polipropylenem (PP). Trociny drzewne to typowe pozostałości po cięciu drewna. Odpady z tworzyw sztucznych pochodziły z wielokrotnego recykling i ze względu na słabe własności mechaniczne nie nadają się do dalszego przerobu.

4 66 Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 1(2005) Rys Utylizowane odpady tworzyw sztucznych [1] Odgazowywano zmielone odpady o wielkości ziaren do około 20 mm, o nieregularnym kształcie (Rys. 3.1.). Udział ziaren o wielkości mniejszej niż 5 mm wynosił 28% (masowo). Gęstość nasypowa odpad w wynosiła 437 kg/m3. Porowatość wsadu- złoże usypane: 0,5. Odpady PE charakteryzują się dużym uzyskiem gazu pirolitycznego z jednostki masy wsadu. Jest typowe, że piroliza odpad w tworzyw sztucznych następuje bardzo szybko i daje duże ilości gazu. Może to sprawiać trudności we właściwej regulacji i dostarczaniu powietrza do spalania [5]. Proces odgazowania zwany często pirolizą [12] poprzedza proces spalania. Tworzywa sztuczne charakteryzują się znikomą zawartością popiołu, substancja mineralna może pochodzić z zabrudzenia odpadu np. ziemią. Podobnie ilość wilgoci jest znikoma. Aby ocenić zależność procesu odgazowania od temperatury przeprowadzono pr by wyznaczania zawartości części lotnych w zakresie temperatur od 200 do 900 C, w piecu muflowym. Pr bki przetrzymywano przez wystarczająco, aby uzyskać odgazowanie zupełne, długi czas- od 30 do 5 min, odpowiednio ze wzrostem temperatury. Orientacyjne czasy przetrzymywania tygli z pr bkami zostały określone w spos b identyczny jak w podobnych badaniach [6]. Stosunek odgazowania zupełnego obliczano wg wzoru [8]: zt ml ms,o (1) gdzie ml jest masą części lotnych, a ms,o masą początkową substancji w stanie suchym i bezpopiołowym (daf). Na Rys przedstawiono przebieg zmiany wartości stosunku odgazowania zupełnego zt w funkcji temperatury procesu, wraz z por wnaniem z wartościami literaturowymi. Należy zaznaczyć, że badania por wnawcze wykonywano termowagą, na małych pr bkach, w atmosferze obojętnej (azot) i z kontrolowaną prędkością nagrzewania [4, 7]. Przedstawione krzywe wyraźnie wskazują na wpływ atmosfery badania na przebieg procesu. Badania termograwimetryczne pokazują, że proces odgazowania zaczyna się w temperaturze około 430 C [4] i trwa do C [7]. Jednak wykonane w piecu muflowym oznaczenie jest orientacyjne i może być wstępnie stosowane do oszacowania

5 Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 1(2005) 67 przebiegu procesu. Co więcej rzeczywiste odgazowanie w reaktorze pirolitycznym zachodzi właśnie w mieszaninie powietrza (w niedomiarze) oraz powstających gazäw pirolitycznych. Literatura wskazuje na fakt, że odpady PE charakteryzują się dużym uzyskiem gazu pirolitycznego z jednostki masy wsadu. Przykładowo w temperaturze 800 C, już po 3-5 minutach osiąga się 720 dm3/kg wsadu, podczas gdy dla PVC tylko 191 dm3/kg wsadu. Gaz pirolityczny ma zmienny skład, a jego wartość opałowa wynosi maksymalnie około 21 MJ/Nm3, w temperaturze 660 C. Ale już dla 550 C- 17,5, oraz 800 C 19 MJ/Nm3 [5]. Jest typowe, że piroliza odpadäw tworzyw sztucznych następuje bardzo szybko i daje duże ilości gazu. W tabeli poniżej przedstawiono poräwnanie dwäch podstawowych parameträw charakteryzujących trociny i tworzywa sztuczne. Ponieważ gęstość nasypowa tworzyw jest prawie 2,5-krotnie większa niż gęstość nasypowa trocin- [3] oraz wartość opałowa tworzyw jest 3-krotnie większa niż trocin, wobec tego objętościowa wartość opałowa tworzyw jest 7,3-krotnie większa niż trocin, a co za tym idzie räwnież moc doprowadzona do pieca przy spalaniu tworzyw jest większa niż przy spalaniu tej samej ilości trocin. Tabela 3.1. PorÄwnanie trocin drzewnych i tworzyw sztucznych ze względu na gęstość nasypową i wartość opałową [4] nasypowa [kg/m 3 ] W d [MJ/kg] W dv [MJ/m 3 ] Trociny drzewne Tworzywa sztuczne B adania własne [7] HDP E [7] LDPE [4] Z T, % temp eratura, C Rys Stosunek odgazowania zupełnego badanych odpadäw tworzyw sztucznych

6 68 Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 1(2005) 4. Krzywa nagrzewania i chłodzenia pieca Zastosowane materiały pozwoliły zbudować piec o małej bezwładności cieplnej. Aby określić liczbowo jej wielkość nagrzewano pusty piec spalając gaz ziemny aż do uzyskania stanu ustalonego, a päźniej, po wyłączeniu gazu, pozwalając na swobodne chłodzenie pieca. Przedstawione wyniki präb pokazano na Rys DÄł pieca (komora spalania) osiąga maksymalną temperaturę w granicach 900 C, po około 100 minutach. Wylot z pieca (kanał spalinowy) nagrzewa się do 600 C, przy czym duży wzrost temperatury następuje już po 30 minutach, a stan stabilny osiągany jest po 60 minutach. Podczas chłodzenia pieca już po 30 minutach następuje spadek temperatur do poziomu 200 C. temperatura [C ] czas [min] tks tsp Rys Krzywa nagrzewania i chłodzenia pieca (przy spalaniu gazu z =1,4); t ks - temperatura komory spalania, t sp - temperatura spalin 5. Wyniki präb Zbudowany piec jest typem reaktora okresowego. Przebieg zmian parameträw cieplnych i emisyjnych ma charakter nieustalony. Pierwsze präby przeprowadzono spalając trociny drzewne (Rys. 5.1). Aby zbadać przebieg procesu odgazowania utrzymywano spalanie paliwa dodatkowego (gaz ziemny) w komorze spalania, prowadząc wspäłspalanie gazu pirolitycznego, koksu z gazem ziemnym. Jak można zobaczyć odgazowanie zaczyna się prawie natychmiast, dając wyraźny wzrost temperatury. Spalanie produktäw odgazowania trocin kończy się po około 80 minutach.

7 Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 1(2005) 69 Na zbudowanym stanowisku wykonano też präby odgazowania odpadäw tworzyw sztucznych. W tym przypadku rozpalano piec spalając kawałki drewna (poniżej komory pirolitycznej), po pewnym czasie następowało wydzielanie się produktäw odgazowania tworzyw sztucznych i szybki wzrost temperatury pieca. Potwierdziło się, że duża wartość opałowa spowoduje występowanie wysokich temperatur, co należy brać pod uwagę przy doborze materiałäw ogniotrwałych i konstrukcyjnych Przykład takiego przebiegu spalania pokazano na Rys W Tabeli 5.1. podano głäwne parametry präb przeprowadzonych w omawianym piecu. temperatura [C] czas [min] tks_gaz tsp_gaz tks_gaz+trociny tsp_gaz+trociny Rys Zmiany temperatur podczas spalania trocin drzewnych (przy spalaniu gazu z =1,4); t ks - temperatura komory spalania, t sp - temperatura spalin Tabela 5.1. Podstawowe parametry podczas präb utylizacji biomasy i odpadäw tworzyw sztucznych Trociny Trociny+Tworzywa sztuczne Tworzywa sztuczne Wsad [kg] Maks. temperatura >1300 komory spalania [ C] Maks. temperatura w >950 kanale spalinowym [ C] Moc cieplna [kw]

8 70 Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 1(2005) Przeprowadzone präby pokazują potencjał takiego typu komory pirolitycznej w zastosowaniu do termicznej utylizacji odpadäw tworzyw sztucznych. Uzyskane doświadczenia pozwolą na poprawienie konstrukcji pieca i dobär optymalnych proporcji wymiarowych tem peratura [C ] tks_gaz tsp_gaz tks_tworz tsp_tworz czas [min] Rys Zmiany temperatury podczas spalania tworzyw sztucznych; t ks - temperatura komory spalania, t sp - temperatura spalin 6. Możliwości badawcze Opisane stanowisko będzie wykorzystywane do badania utylizacji mieszanin tworzyw sztucznych, odpadäw komunalnych, paliw typu Pakom i innych pod kątem emisji zanieczyszczeń gazowych i stałych, jak räwnież odporności korozyjnej materiałäw ogniotrwałych i stosowanych pokryć ochronnych. SzczegÄlnie aspekt materiałowy jest godny zainteresowania, gdyż niejednorodność składu utylizowanych odpadäw stawia nowe wymagania nanoszonym pokryciom ochronnym. Powłoki natryskiwane cieplnie, wytwarzane z typowych materiałäw np. IN 625, są niewystarczające i wymagają prac rozwojowych [2]. Literatura [1] Bula T.: Spalanie odpadäw tworzyw sztucznych w piecu z komorą pirolityczną. Praca inżynierska. Politechnika Śląska. Katowice 2002.

9 Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 1(2005) 71 [2] Formanek B., Szymański K., Kowalski B., Włodarczyk A.: Zastosowanie technologii natryskiwania cieplnego dla ochrony urządzeń energetycznych przed zużyciem erozyjnym i korozyjnym. Konferencja Problemy i Innowacje w Remontach Energetycznych. Jugowice XI [3] Hansla K.: Charakterystyka energetyczna i emisyjna pieca do spalania odpadäw z komorą pirolityczną. Praca inżynierska. Politechnika Śląska. Katowice [4] Kiran N. i in.: Recykling of plastic waste via pyrolysis. Resources, Conservation and Recycling 29 (2000). [5] Li A.M. i in.: Experimetal studies on minicipal solid waste pyrolysis in a laboratoryscale rotary kiln. Energy 24 (1999). [6] Nadziakiewicz J., Wacławiak K., Ścierski W.: Badania produktäw odgazowania odpadäw. Ochrona Powietrza i Problemy OdpadÄw 1/2001. [7] Park J.W. i in.: A kinetic analysis of thermal degradation of polymers using a dynamic method. Polymer degradation and Stability 67 (2000). [8] Postrzednik S.: Analiza termodynamiczna procesu odgazowania paliw stałych. Politechnika Śląska. Zeszyty naukowe nr 691. Gliwice [9] Ustawa o odpadach z dnia 27 kwietnia 2001, (Dz. U. Nr 62, poz.628). [10]Wacławiak K. Nadziakiewicz J.: Model matematyczny walcowej komory pirolitycznej. Archiwum Ochrony Środowiska. Vol. 27. No [11]Wacławiak K., Nadziakiewicz J.: Model matematyczny walcowej komory pirolitycznej. Archiwum Ochrony Środowiska. Vol.27. No [12]Wacławiak K.: Problemy z nazewnictwem procesäw termicznego przekształcania odpadäw. Ochrona Powietrza i Problemy OdpadÄw 3/2003.

10 72 Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 1(2005)