KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN ODDZIAŁ W POZNANIU Vol. 28 nr 3 Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 2008 RAFAŁ DAŃKO MOŻLIWOŚCI WYKORZYSTANIA POWIETRZA WZBOGACONEGO TLENEM DO INTENSYFIKACJI REGENERACJI TERMICZNEJ ZUŻYTYCH MAS I UTYLIZACJI PYŁÓW POREGENERACYJNYCH W artykule omówiono przeprowadzone w Wydziale Odlewnictwa AGH badania procesu regeneracji zużytej masy samoutwardzalnej regenerowanej termicznie w złożu fluidalnym ze wspomaganiem mieszaniną tlenu z powietrzem, a także obróbkę termiczną zużytej masy samoutwardzalnej ze sztucznie zwiększoną zawartością pyłów poregeneracyjnych. W drugim przypadku zastosowano tzw. wytlewanie komponentów organicznych zużytej masy, polegające na wstępnym nagrzaniu złoża masy regenerowanej z pyłem do temperatury około 400 500 C, a następnie na wypaleniu pozostałości żywicy za pomocą tlenu wprowadzanego do złoża od dołu. Słowa kluczowe: zużyta masa, regeneracja, utylizacja odpadów pyłowych 1. WPROWADZENIE Regeneracja termiczna mas z komponentami organicznymi jest obecnie najbardziej efektywnym pod względem jakości regeneratu sposobem zagospodarowania odpadów tych mas. Odrębne zagadnienie stanowi utylizacja pyłów powstających podczas regeneracji mechanicznej zużytych mas ze spoiwami na bazie żywic, których składowanie w stanie naturalnym nie jest dopuszczalne lub wymaga specjalnych składowisk. Producenci urządzeń do mechanicznej regeneracji tych mas nie podejmują zasadniczo tematu utylizacji pyłów poregeneracyjnych, skupiając się głównie na jakości regeneratu, wydajności i ekonomice procesu. W procesach regeneracji termicznej i wielostopniowej zużytych mas jednolitych oraz mieszanych następuje niejako samoczynna inertyzacja i częściowa utylizacja pyłów poregeneracyjnych w wyniku spalania zawartych w nich substancji organicznych. Dr inż. Wydział Odlewnictwa Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Publikacja naukowa finansowana ze środków na naukę w latach 2007-2009 jako projekt badawczo-rozwojowy nr R07 012 02.
26 R. Dańko 2. CEL I ZAKRES BADAŃ Celem badań było poszukiwanie optymalnego sposobu regeneracji zużytej samoutwardzalnej masy rdzeniowej o określonym składzie materiałowym i sposobie przygotowania, a także obróbki termicznej zużytej masy samoutwardzalnej ze sztucznie zwiększoną zawartością pyłów poregeneracyjnych pochodzących z procesu regeneracji mechanicznej tej samej masy. 3. CHARAKTERYSTYKA BADAŃ WŁASNYCH 3.1. Stanowisko badawcze Schemat stanowiska doświadczalnego przedstawiono na rys. 1. Charakterystyczną cechą prezentowanego stanowiska jest zastąpienie przepływem cyklicznym o określonym wydatku powietrza fluidyzującego klasycznej fluidyzacji, prowadzonej zazwyczaj w sposób ciągły, co ogranicza straty ciepła w złożu i nadmierne jego chłodzenie przez powietrze. Gas Air Air or oxygen or air+oxygen to fluidisation Rys. 1. Schemat oraz ilustracja doświadczalnego regeneratora termicznego: 1 stalowa obudowa, 2 płaszcz zewnętrzny, 3 beton ogniotrwały, 4 izolacja z włókien ceramicznych, 5 pokrywa, 6 otwór termopary, 7 uszczelnienie azbestowe, 8 palnik, 9 obudowa palnika, 10 dno perforowane, 11 wełna ceramiczna, 12 skrzynia powietrzna, 13 zamknięcie wysypu, 14 króciec wylotowy, 15 zawieszka [1, 2] Fig. 1. Experimental thermal reclaimer: 1, 2 jackets, 3 refractory lining, 4 ceramic insulation, 5 cover, 6 thermocouple holes, 7 seal, 8 burner, 9 burner casing, 10 air distributor, 11 ceramic wool, 12 air box, 13 dump hole closure, 14 stub pipe, 15 hanging [1, 2]
Możliwości wykorzystania powietrza wzbogaconego tlenem do intensyfikacji 27 3.2. Program badań i przebieg prób Zastosowany w badaniach sposób regeneracji termicznej zużytej masy odbiegał od pełnego wypalania w temperaturze 700 800 C, charakteryzującego większość systemów regeneracji w złożu fluidalnym nagrzewanym przez wewnętrzne spalanie w nim gazu. W badaniach zastosowano dwa rodzaje obróbki regeneracyjnej w zależności od rodzaju zużytej masy i sposobu jej przygotowania. I tak: Tryb I obejmował zewnętrzne, powierzchniowe nagrzewanie złoża masy regenerowanej do temperatury około 400 500 C za pomocą palnika gazowego z okresową jego fluidyzacją powietrzem wzbogaconym w tlen lub samym tlenem w celu wypalenia komponentów organicznych. Do regeneracji kierowano nieprzepaloną masę z technologii SMS, wychodząc z założenia, że stwarza to trudniejsze warunki do regeneracji niż w przypadku masy przepalonej. Masę do badań przygotowywano w laboratoryjnej mieszarce wstęgowej, przy czym sporządzanie masy odbywało się zgodnie z zaleceniami producenta żywicy. Stosowano masę formierską o następującym składzie: piasek kwarcowy suchy 100 cz. wag., żywica furfurylowa Kaltharz U 404 U 1,0 cz. wag., utwardzacz 500 T1(nazwa handlowa) 0,5 cz. wag. Zastosowano następujące sposoby regeneracji: 1) termiczny z okresowym mieszaniem fluidalnym (częstotliwość fluidyzacji 1 min, czas trwania fluidyzacji 10 s) w doświadczalnym regeneratorze termicznym przedstawionym na rys. 1; czas regeneracji odpowiednio 3 min, 5 min, 10 min regenerat R1; 2) termiczny ze wstępnym nagrzewaniem powierzchniowym nieruchomego złoża zużytej masy przez odpowiednio 3 min, 5 min, 10 min w doświadczalnym regeneratorze termicznym przedstawionym na rys. 1 i następnym uzupełniającym przedmuchiwaniem masy tlenem przez 1 min regenerat R2; 3) termiczny z okresowym mieszaniem fluidalnym (częstotliwość fluidyzacji 1 min, czas trwania fluidyzacji 10 s) w doświadczalnym regeneratorze termicznym przedstawionym na rys. 1; czas regeneracji odpowiednio 3 min, 5 min, 10 min i następnie uzupełniające przedmuchiwanie masy tlenem przez 1 min regenerat R3; 4) termiczny z okresowym mieszaniem fluidalnym (częstotliwość fluidyzacji 2 min, czas trwania fluidyzacji 10 s) w doświadczalnym regeneratorze termicznym przedstawionym na rys. 1; czas regeneracji odpowiednio 3 min, 5 min, 10 min; czynnik fluidyzujący powietrze + tlen w proporcji 1:1 regenerat R4; 5) termiczny z okresowym mieszaniem fluidalnym (częstotliwość fluidyzacji 1 min, czas trwania fluidyzacji 10 s) w doświadczalnym regeneratorze termicznym przedstawionym na rys. 1; czas regeneracji odpowiednio 3 min, 5 min, 10 min; czynnik fluidyzujący powietrze + tlen w proporcji 1:1 regenerat R5;
28 R. Dańko 6) termiczny z okresowym mieszaniem fluidalnym (częstotliwość fluidyzacji 1 min, czas trwania fluidyzacji 10 s) w doświadczalnym regeneratorze termicznym przedstawionym na rys. 1; czas regeneracji odpowiednio 3 min, 5 min, 10 min; czynnik fluidyzujący powietrze + tlen w proporcji 1:2 regenerat R6. Efekty regeneracji oceniano na podstawie uzyskanych wartości wskaźników: strat prażenia (LOI), wytrzymałości na zginanie próbek wykonanych z regeneratu (R g u ) po czasie odstania 1 h, 4 h i 24 h, odczynu ph, ilości 0,1 M NaOH niezbędnej do zobojętnienia roztworu składającego się z 50 g regeneratu, 50 cm 3 H 2 O oraz 50 cm 3 0,1 M HCl, którą identyfikuje się z tzw. zapotrzebowaniem na kwas. Tryb II obejmował regenerację zużytej masy i jednoczesną utylizację pyłów pochodzących z regeneracji mechanicznej zużytych mas z żywicą furfurylową stosowaną w jednej z odlewni krajowych. Obróbce termicznej poddawano uśrednioną mieszaninę zużytej masy (rozkruszone bryły) oraz pochodzących z niej pyłów o zawartości około 30% mas. Porcję mieszaniny zużytej masy i pyłów poregeneracyjnych wprowadzano do wstępnie nagrzanego do temperatury około 700 C regeneratora, po czym po 3 4 min ładunek masy poddawano powolnemu, filtracyjnemu przedmuchiwaniu tlenem podawanym od spodu przy wyłączonym palniku gazowym i okresowemu, mechanicznemu mieszaniu złoża w celu wyeliminowania stref nieobjętych przedmuchem. Przyjęte czasy obróbki wytlewającej wynosiły 3, 5 i 10 min. 3.3. Wyniki badań i ich analiza Wyniki badań porównawczych obróbki regeneracyjnej prowadzonej według trybu I zamieszczono na rys. 2 4. Wyniki strat prażenia (rys. 2) wskazują, że dla wszystkich regeneratów dobry efekt regeneracji uzyskuje się już po 5 min, przy czym najskuteczniejsza jest regeneracja R6, w której do mieszania złoża stosuje się mieszaninę powietrza i tlenu w proporcji 1:2. Następna w kolejności jest regeneracja R5 i na zbliżonym poziomie regeneracje R4 i R3. Można zauważyć różnice w efektach regeneracji R4 i R5, w których stosowano różne czasy mieszania fluidalnego mieszanką powietrzno-tlenową o tym samym składzie (kolejno przez 2 min i 1 min). Zbliżony efekt daje sposób obróbki R3, w którym tlenu używa się w samej końcówce procesu, a częstotliwość mieszania regenerowanego złoża jest dwukrotnie większa (co 1 min). Podczas badań analizowano także zmiany odczynu chemicznego (ph) oraz ilości NaOH potrzebnego do zobojętnienia roztworu zawierającego 50 g regeneratu, 50 cm 3 wody i 50 cm 3 0,1 M HCl. Wyniki tych analiz przedstawiono w powiązaniu ze stratami prażenia (LOI) na rys. 3 i 4. Analizując wykresy przedstawione na tych rysunkach, zauważa się bardzo duży poziom kwasowości masy z żywicą mocznikowo-furanową Kaltharz U 404 U i utwardzaczem 500 T1. Odczyn ph rośnie w miarę wzrostu intensywności regeneracji, uzyskując maksymalną wartość 6,6 (przy 7,07 dla piasku świeżego) w przypadku regeneratu R6.
Możliwości wykorzystania powietrza wzbogaconego tlenem do intensyfikacji 29 1 0,9 0,8 R1 R2 R3 R4 R5 R6 Strata prażenia, % 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Czas regeneracji, min. min Rys. 2. Zależność strat prażenia od czasu regeneracji dla różnych sposobów regeneracji zużytej masy, (przyjęto symbolikę opisaną w charakterystyce parametrów badań) Fig. 2. Ignition losses vs reclamation time for various techniques of the used sand reclamation (the same symbols are used as in description of the test parameters) 8 7 6 Odczyn ph, / 5 4 3 2 1 y = -1,0457Ln(x) + 2,7409 R 2 = 0,9419 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 Strata prażenia, % Rys. 3. Zależność odczynu ph regeneratu ze zużytej masy z żywicą furanową od strat prażenia tego regeneratu Fig. 3. Value of ph in reclaimed furan resin sand vs ignition losses Wyniki przedstawione na rys. 4 potwierdzają powyższe uwagi. Zwiększenie intensywności regeneracji pociąga za sobą zmniejszenie strat prażenia regeneratu, powoduje równoczesne zmniejszenie ilości NaOH niezbędnego do zobojętnienia roztworu, czyli zbliżenie ph do wartości 7. Na rysunku 5 przedstawiono przykłady morfologii powierzchni regeneratów R5 i R6 po czasie regeneracji wynoszącym odpowiednio 3 min, 5 min, 10 min. Można zauważyć, że w przypadku zastosowania większej ilości tlenu w mieszance tlenowo-powietrznej uzyskuje się podobny efekt regeneracji jak przy uboższej mieszance po dłuższym trwaniu procesu. Uzasadnia to celowość wzbogacania powietrza tlenem.
30 R. Dańko 75 Ilość NaOH niezbędna do neutralizacji kwasu, cm 3 70 65 60 55 50 45 y = -0,7198x 3 + 10,944x 2-54,199x + 134,53 R 2 = 0,8994 40 1 2 3 4 5 6 7 8 ph value Rys. 4. Zależność ilości NaOH potrzebnego do zobojętnienia roztworu zawierającego 50 g zużytej masy regeneratu, 50 cm 3 wody i 50 cm 3 0,1 M HCl od jego odczynu ph Fig. 4. Relationship between NaOH volume necessary to neutralise the solution containing 50 g reclaim, 50 cm 3 water and 50 cm 3 of 0.1 M HCl and its ph value Rys. 5. Morfologia powierzchni ziarn piasku po różnych etapach regeneracji termicznej z różnymi parametrami: A świeży piasek, B zużyta masa, C R5 po 3 min, D R6 po 3 min, E R5 po 5 min, F R6 po 5 min, G R5 po 10 min, H R6 po 10 min Fig. 5. Morphology of the sand grains surface after various stages of the thermal reclamation process carried out under various operating parameters: A new sand, B used sand, C R5 after 3 minutes, D R6 after 3 minutes, E R5 after 5 minutes, F R6 after 5 minutes, G R5 after 10 minutes, H R6 after 10 minutes W przypadku użycia do okresowego mieszania fluidalnego samego tlenu regenerację termiczną można określić jako wytlewanie. Proces wytlewania polega na wstępnym nagrzaniu złoża regenerowanej masy do temperatury około 400 500 C, a następnie na wypaleniu pozostałości żywicy za pomocą tlenu dostarczonego od dołu do złoża. Przebieg i efekt wytlewania pokazano na rys. 6. Można zauważyć, że po kilkuminutowym powierzchniowym nagrzaniu zużytej masy pozostaje ona ciemna (rys. 6A). Po wyłączeniu palnika nagrzewającego powierzchnię masy wprowadza się od dołu tlen i rozpoczyna proces przedmuchiwania. Ładunek masy ulega rozżarzeniu; widoczna jest fioletowa mgiełka płomienia powstającego pod-
Możliwości wykorzystania powietrza wzbogaconego tlenem do intensyfikacji 31 czas spalania resztek żywicy. W rezultacie z ziarn osnowy zostają usunięte pozostałości żywicy i innych zanieczyszczeń (rys. 6B, 6C). Na rysunku 6D przedstawiono końcowy efekt procesu wypalania żywicy wytlewania. A B C D Rys. 6. Przebieg wytlewania w regeneratorze termicznym: A masa nagrzana powierzchniowo przez 3 min, B początek przedmuchiwania tlenem, C wytlewanie, D regenerat po wytlewaniu Fig. 6. The successive stages of the oxygen-aided burning out process carried out in a thermal reclaimer unit: A sand surface heated for 3 minutes; B start of oxygen blowing; C burning out process; D the ready reclaim Tablica 1 Wartość strat prażenia i odczynu ph materiałów wyjściowych oraz po obróbce wytlewającej przeprowadzonej według II trybu pracy regeneratora Ignition losses and ph values of initial materials as well as materials after the oxidising treatment performed according to mode II of the reclaimer operation Materiał Strata prażenia [%] a) Odczyn ph Masa zużyta przed regeneracją mechaniczną (stan wyjściowy) 3,70 3,65 Zregenerowana mechanicznie osnowa 2,82 4,05 Pyły poregeneracyjne (stan wyjściowy) 20,60 3,30 Mieszanina (masa zużyta 70% wag. + pyły 30% wag.) przed obróbką wytlewającą 8,90 3,52 Mieszanina (masa zużyta 70% wag. + pyły 30% wag.) po obróbce wytlewającej 3 min 4,20 3,85 Masa przed regeneracją po obróbce wytlewającej 3 min 1,90 3,77 Pyły po obróbce wytlewającej 3 min 14,1 3,72 Mieszanina (masa zużyta 70% wag. + pyły 30% wag.) po obróbce wytlewającej 5 min 2,10 4,11 Masa przed regeneracją po obróbce wytlewającej 5 min 1,10 4,19 Pyły po obróbce wytlewającej 5 min 9,10 4,05 Mieszanina (masa zużyta 70% wag. + pyły 30% wag.) po obróbce wytlewającej 10 min 0,96 6,00 Zregenerowana osnowa po obróbce wytlewającej 10 min 0,33 6,14 Pyły po obróbce wytlewającej 10 min 4,30 5,79 a) Straty prażenia zregenerowanej termicznie osnowy badano na frakcjach zgromadzonych na sitach 0,2 0,6 mm, natomiast do określenia strat prażenia pyłów posłużono się frakcjami zgromadzonymi na sitach 0,071, 0,056 i denku.
32 R. Dańko Wyniki badań wpływu obróbki termicznej mieszaniny zużytej masy i pyłów, prowadzonej według trybu II, zamieszczono w tablicy 1 (straty prażenia i odczynu ph regeneratu), natomiast zarejestrowany, przykładowy przebieg temperatury w złożu masy poddanej obróbce wytlewającej oraz temperatury spalin powstających w procesie wytlewania zamieszczono na rys. 7. Jak można zauważyć, powolne, filtracyjne przedmuchiwanie ładunku tlenem podawanym od spodu przy wyłączonym palniku gazowym pozwala na skuteczne wypalenie organicznych składników zawartych w zużytej masie oraz dodanych do niej pyłów. Następuje przy tym wzrost temperatury złoża materiału, która dla podanego udziału procentowego masy i pyłów w badanym przedziale czasu osiąga wartości od 530 C (przy dnie) do 730 C (na powierzchni swobodnej) przy temperaturze spalin wynoszącej około 770 780 C. Wskazuje to na możliwość wykorzystania potencjalnego ciepła powstającego podczas spalania pyłów poregeneracyjnych i składników organicznych zawartych w zużytej masie. 900 800 okres III Czas Temperatura, wytlewania, C s 700 600 500 400 300 okres I okres II 200 100 Temperatura złoża wytlewanego przy dnie fluidyzacyjnym Temperatura złoża wytlewanego na jego powierzchni Temperatura spalin w kominie 0 0 100 200 300 400 500 600 Czas Temperatura, wytlewania, 0 C s Rys. 7. Przebieg temperatury złoża masy poddanej obróbce wytlewającej oraz spalin powstających w procesie wytlewania; okres I wygrzewanie regeneratora, okres II zasyp i nagrzewanie nieruchomego ładunku mieszaniny (zużyta masa 70% wag. + pył 30% wag.) do temperatury wygrzanego regeneratora, okres III spontaniczne spalanie substancji w atmosferze tlenu Fig. 7. Temperature changes in a moulding sand bed under oxidising treatment and combustion gases formed. Period I Heating of the reclaimer, Period II Charging and heating of an immobile charge of the mixture (used moulding sand 70% by weight + dust 30% by weight) into the heated reclaimer, Period III Spontaneous combustion of organic substances contained in used sands and in post-reclamation dusts in an oxygen atmosphere
Możliwości wykorzystania powietrza wzbogaconego tlenem do intensyfikacji 33 4. WNIOSKI 1. Przeprowadzone badania potwierdzają, że zastosowanie tlenu pozwala znacznie skrócić przeciętny czas typowej regeneracji termicznej, który w rozwiązaniach przemysłowych może wynosić 25 30 min, nawet o około 60%, bez obniżania jakości odzyskanej osnowy. Może to być szczególnie ważne dla odlewni mających problemy z przepustowością istniejących już regeneratorów termicznych, którą można zwiększyć bez znaczącego nakładu środków inwestycyjnych. Jednocześnie stwarza to możliwość rozszerzenia gamy urządzeń do regeneracji o urządzenia wykorzystujące powietrze wzbogacone tlenem, dzięki czemu proces jest skuteczniejszy. 2. W badaniach doświadczalnie stwierdzono możliwość intensywnego wypalania składników organicznych z mieszaniny zużytej masy i pyłów poregeneracyjnych, poddanych powierzchniowemu lub punktowemu nagrzaniu do temperatury około 600 C, a następnie filtracyjnemu przedmuchiwaniu tlenem technicznym. Przeprowadzone próby wskazują na możliwość zwiększenia udziału pyłów poregeneracyjnych w mieszaninie poddawanej obróbce wytlewającej powyżej 30%, a także na wykorzystanie powietrza wzbogaconego tlenem do spalania organicznych składników pyłów. 3. Efektywna utylizacja oraz inertyzacja termiczna pyłów poregeneracyjnych ze zużytych mas z żywicą furfurylową wymaga dla ograniczenia zjawiska eliutracji pyłów stosunkowo stabilnego przepływu przez złoże czynnika gazowego, z prędkością przepływu o znacznie mniejszej wartości niż wynikająca z dolnej prędkości krytycznej fluidyzacji dla złoża zużytej masy. LITERATURA [1] Dańko J., Dańko R., Badanie wpływu wzbogacania powietrza tlenem oraz impulsowej fluidyzacji na proces termicznej regeneracji masy zużytej, w: XXX Konferencja Naukowa z okazji Święta Odlewnika 2006 Nowoczesne technologie w odlewnictwie, Kraków 2006, s. 87 91. [2] Dańko J., Dańko R., Efekty impulsowo-tlenowej obróbki masy zużytej w procesie regeneracji termicznej, Archiwum Odlewnictwa, 2006, r. 6, nr 21, s. 19 24. Praca wpłynęła do Redakcji 1.04.2008 Recenzenci: prof. dr hab. Mariusz Holzer prof. dr hab. inż. Zenon Ignaszak
34 R. Dańko THE POSSIBILITIES OF APPLYING THE OXYGEN ENRICHED AIR TO INTENSIFICATION OF THERMAL RECLAMATION OF USED FOUNDRY SANDS AND UTILIZATION OF POST RECLAMATION DUST Summary This article relates the studies conducted at the AGH University of Science & Technology on the process of reclamation of the used self-setting sands, subjected to thermal treatment supported by additional blowing of the sand with oxygen. This results in fluidisation and the oxygen-aided burning out process of resin residuals. In second case the artificially prepared mixture of furan used sand and the post processing dust (30 % by weight) were preliminary heated to a temperature of about 400-500oC, followed by burning out of the remaining resin in sole oxygen supplied from the bottom up to the bed which resulted in low temperature carbonisation. Key words: used sand, reclamation, utilisation of dust waste