Politechnika Śląska Wydział Chemiczny Katedra Chemii, Technologii Nieorganicznej i Paliw Minimalizacja odpdów Technologia chemiczna Dąbrowa Górnicza sem. VI Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych Brykietowanie odpadów bazaltowych Prowadzący: dr inŝ. Andrzej Koszorek dr Tomasz Siudyga Miejsce: Gliwice, ul. B. Krzywoustego 6 p. 21
WSTĘP W ostatnich latach, wraz ze wzrostem znaczenia ochrony środowiska pojawia się tendencja do opracowywania technologii bezodpadowych. Jednym z przykładów jest produkcja wełny mineralnej z wykorzystaniem surowców odpadowych. Stosowana obecnie technologia produkcji wełny mineralnej oparta jest na topieniu surowca, głównie bazaltu o uziarnieniu 60 120 mm w piecu szybowym, a następnie na rozwłóknianiu otrzymanego stopu (lawy mineralnej) na rozwłókniarkach wielowałkowych. Powstają przy tym odpady stałe, których ilość waha się w granicach 20 30 %. Odpady tę są na ogół zanieczyszczone Ŝywicami fenolowo formaldehydowymi, pochodzącymi z dalszych procesów formowania mat, a zatem ich składowanie podlega specjalnym rygorom i jest bardzo kosztowne. Istnieje kilka koncepcji utylizacji tych odpadów. Jedna z nich to recyrkulacja. Stwierdzono, Ŝe odpady bazaltowe są bardzo dobrym surowcem do wytwarzania wełny mineralnej, gdyŝ nie zawierają tlenków Ŝelaza i posiadają wyŝszy stopień zeszklenia. Ich wadą jest ich zbyt drobne uziarnienie, jak równieŝ niejednorodność kształtu form krzemionkowych. Ponowne ich zastosowanie jako surowca w piecu szybowym wymaga ich scalania w materiał o odpowiedniej kawałkowatości i wytrzymałości. Proponuje się zatem brykietowanie odpadów. Jako spoiwa stosowane są gliny z dodatkiem smół węglowych, ługi posulfitowe, szkło wodne, glikocel (sól sodowa karboksymetylocelulozy, uŝywana równieŝ jako klej do tapet), a takŝe typowe spoiwa budowlane, takie jak cement i jego mieszaniny z wapnem hydratyzowanym. KaŜde z lepiszcz ma swoje wady i zalety. Z punktu widzenia ochrony środowiska nie zaleca się stosować smoły koksowniczej (emisja WWA), oraz ługu posulfitowego (emisja SO 2 ). Z technologicznego punktu widzenia trudnym do zastosowania w praktyce jest cement, gdyŝ wiąŝe ze sobą gotowe brykiety. Z kolei wapno hydratyzowane jest zbyt słabym środkiem wiąŝącym. Dlatego teŝ w praktyce stosuje się rozwiązania dalekie od idealnych. Ostatnio wdroŝono brykietowanie odpadów bazaltowych przy pomocy ługu posulfitowego, ze względu na niskie koszty spoiwa. Doświadczenia przemysłowe wykazały, Ŝe brykiety takie wykazują bardzo wysoką wytrzymałość mechaniczną, natomiast są nieodporne na działanie sił ściernych. - 2 -
CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest znalezienie zaleŝności wytrzymałości brykietów od takich parametrów ich wytwarzania jak udział lepiszcza i uziarnienie odpadów bazaltowych. Zastosowana będzie technika eksperymentu planowanego. Eksperyment stosuje się wtedy, gdy chcemy ograniczyć ilość doświadczeń do niezbędnego minimum, a jednocześnie wiemy, Ŝe wpływ zmiennych niezaleŝnych posiada charakter empiryczny. Ogólnie wiadomo, Ŝe przy pewnych innych stałych parametrach wytwarzania brykietów (udział wilgoci, temperatura brykietowania, siła nacisku w procesie prasowania itp.) wpływ udziału lepiszcza na wytrzymałość brykietów moŝna opisać parabolą II stopnia, a optymalna ilość lepiszcza jest uzaleŝniona od stopnia rozdrobnienia materiału. Tak więc wybrane czynniki (udział lepiszcza i rozdrobnienie brykietowanego materiału) wpływają na cechę wypadkową według równania II stopnia z interakcją: W a + gdzie: = (1) 2 2 0+ a1x1 + a2x2+ a1,1x 1 + a2,2x2 a1,2x 1x2 W - wytrzymałość brykietów, %, x 1 x 2 - udział masowy lepiszcza, % m/m, - stopień przemiału odpadów, udział ziaren poniŝej 3 mm, % m/m, a 0 do a 1,2 - współczynniki wielomianu, które wyznacza się na drodze doświadczalnej, odpowiednio programując cykl badań. W wyniku redukcji członów nieistotnych wielomian aproksymujący (1) moŝe ulec uproszczeniu do 4 lub 5 członów. Ekstremum funkcji (1) otrzymujemy rozwiązując układ równań: W x 1 = 0 i (2) W = 0 x2 Ćwiczenie kończy się ustaleniem matematycznej zaleŝności (1) przy pomocy statystycznego programu komputerowego. OPIS ĆWICZENIA Surowcem do ćwiczeń jest odpad bazaltowy o uziarnieniu 100 % poniŝej 10 mm. Przygotowano trzy próbki odpadu o róŝnej zawartości ziaren < 3 mm (w nawiasach podano wartości zmiennych niezaleŝnych w formie zredukowanej): - 3 -
1) 87,7 % (-1) 2) 93,9 % (0) 3) 100 % (+1) PowyŜsze próbki naleŝy zbrykietować, stosując jako lepiszcze ług posulfitowy. Ilość uŝytego lepiszcza powinny wynosić: a) 7,5 % (-1) b) 10 % (0) c) 12,5 % (+1) Zredukowane zmienne niezaleŝne x 1 = 0 i x 2 = 0 stanowią centrum planu. W planie zrezygnowano z 2 punktów kontrolnych oraz 9 powtórzeń. Po ustaleniu receptur kolejność wytwarzania brykietów naleŝy wyznaczyć losowo. Otrzymanych zostanie dziewięć brykietów, których parametry wytrzymałościowe pozwolą na utworzenie macierzy doświadczalnej: Uziarnienie Ilość lepiszcza 7,5% 10% 12,5% 87,7% < 3 mm W 1 W 4 W 7 93,9% < 3 mm W 2 W 5 W 8 100% < 3 mm W 3 W 6 W 9 W 1 W 9 - parametry wytrzymałościowe wytworzonych brykietów WYKONANIE ĆWICZENIA 1. Brykietowanie odpadów Do zlewki odwaŝyć na wadze technicznej 30 g uśrednionego odpadu bazaltowego o określonym uziarnieniu. Następnie dodać odpowiednią ilość ługu posulfitowego: dla 7,5 % - 2,4 g 10 % - 3,3 g 12,5 % - 4,3 % Materiał sypki dokładnie wymieszać z lepiszczem, a następnie zbrykietować przy uŝyciu prasy laboratoryjnej, stosując ciśnienie 2 MPa. KaŜdy brykiet natychmiast po wytworzeniu włoŝyć do suszarki nagrzanej do temperatury 105 C, na przeciąg 1 godz. W celu - 4 -
sezonowania. Po upływie czasu sezonowania oznaczyć parametry wytrzymałościowe brykietów. 2. Badanie parametrów wytrzymałościowych Do określenia parametrów wytrzymałościowych brykietów stosuje się laboratoryjny bęben Rogi. ZwaŜony brykiet bębnuje się przez 3 minuty. Po tym czasie zawartość bębna przenieść na sito o średnicy oczek 3 mm o określić procentową ilość frakcji ziarnowej pozostałej na sicie. Wyliczone wartości wstawić do macierzy doświadczalnej. 3. Przebieg analizy regresyjnej Współczynniki wielomianu (1) zostaną wyznaczone dwiema metodami, przy pomocy programu statystycznego STATGRAPHICS. Kolejność działań: 1) Utworzyć plik danych w: A. Data Management, 2) Uruchomić procedurę w: K. Regression Analysis uruchomić opcję: 3. Multiple Regression (metoda I): zredukować człony nieistotne przy pomocy warunku: poziom istotności 0, uruchomić opcję: 4. Stepwise Variable Selection (metoda II): redukcję członów nieistniejących przeprowadzić metodą Backward Uruchomienie procedur, opcji (punktów menu) następuje przez wciśnięcie klawisza ENTER. 3) UłoŜyć układ równań (2) i go rozwiązać (o ile taki istnieje). Zestawienie wyników obejmuje: a. analityczna postać wzoru (1) w dwóch wersjach, b. wyznaczenie ekstremum funkcji (1) układem równań (2). - 5 -