WŁAŚCIWOŚCI POPIOŁÓW LOTNYCH POWSTAŁYCH W SPALARNIACH ODPADÓW PRZEMYSŁOWYCH
2. METODY BADAWCZE
Kształt i wielkość cząstek popiołu lotnego określono na podstawie zdjęć mikro-skopowych, używając skaningowego mikroskopu elektronowego SEM EVO-40 (Zeiss), działającego w trybie wysokiej próżni, dla ogniskowej 17 mm i napięcia przy-spieszającego 20 kV. Dla celów jakościowej i ilościowej analizy składu pierwiastko-wego zebranego popiołu zastosowano mikroanalizator EDX-Bruker QUANTAX 400.
2.1. MATERIAŁ BADAWCZY
Próbki popiołów zostały pobrane z następujących zakładów przemysłowych znaj-dujących się w różnych miastach na północy Polski:
- spalarni odpadów medycznych, - spalarni odpadów niebezpiecznych,
Tadeusz Czech et al. 86
3. REZULTATY
3.1. ANALIZA POPIOŁÓW PO SPOPIELENIU ODPADÓW SZPITALNYCH
Odpady szpitalne spopielano w palenisku komorowym przepychowym. W komo-rze tego typu następuje termiczny rozkład i spopielenie wsadu,a spaliny kierowane są do komory dopalającej, gdzie następuje usunięcie niepożądanych produktów spalania. W celu całkowitego spopielenia, komora wyposażona została w boczne palniki gazo-we. Proces powinien zachodzić w temperaturach od 1100 do 1200 oC.
a) b)
c)
Rys. 1. Cząstki popiołu dennego pozostałego po spopieleniu odpadów medycznych,
powiększenie: ×1 000 (a), ×5 000 (b), × 50 000 (c)
Wadą tego typu komory jest jej mała wydajność, niski stopień mechanizacji napeł-niania komory oraz usuwania powstałego popiołu. Zaletą są małe koszty eksploatacji. Na rys. 1 przedstawiono zdjęcia SEM popiołu dennego. Znaczna większość cząstek ma rozmiar ponad 1 mm, ale obserwuje się też cząstki znacząco mniejsze (≤ 100 µm).
Obok cząstek globularnych, obserwuje się też kuliste cząstki nanometrowe (rys. 1c). Stwierdzono, że popioły denne (pozostałości w komorze spalania) zawierają również niespalone elementy o znacznych wymiarach, np. szklane butelki czy metalowe ele-menty. Analiza sitowa wskazuje, że udział niespalonych elementów w postaci dużych cząstek stałych zawartych w popiołach dennych jest znaczny, wynoszący około 50% (rys. 2). Przyczyn obecności tych niedopalonych elementów może być wiele: zbyt krotki czas spopielania, niewystarczający dopływ powietrza, brak mieszania w proce-sie spopielania lub wysoki stopień wilgotności odpadów obniżający temperaturę spo-pielania do zakresu 650 do 800 oC.
a) (b)
Rys. 2. Analiza sitowa (a) i analiza EDX składu pierwiastkowego (b) popiołu dennego pozostałego po spopieleniu odpadów medycznych
Na rys. 3 przedstawiono wyniki analizy EDX składu pierwiastkowego różnych frakcji popiołu dennego. Analiza sitowa oraz udział pierwiastków (%) w popiele den-nym dla różnych frakcji wielkości cząstek ujawnia, że główden-nymi elementami popiołu dennego są: CaO, SiO2 i Al2O3, które stanowią razem prawie 75% składu pierwiast-kowego (rys. 2). Prezentowane wyniki są w zgodzie z wynikami otrzymanymi przez Gidarakosa i in. [3]. Zawartość tlenu zmienia się wraz z wielkością cząstek (rys. 3). Zawartość sodu i chloru zmienia się odwrotnie proporcjonalnie do wielkości cząstek. Im większa jest średnica cząstki tym mniej jest potasu, pierwiastkowy chlor i sód zawiera się głównie w cząstkach o najmniejszych średnicach. Udział związków wap-nia rośnie nieznacznie ze wzrostem średnicy cząstki. Natomiast zawartości związków krzemu, aluminium i siarki nie wykazują tak prostej zależności (rys. 3).
Instalacja spopielania odpadów medycznych wyposażona jest w system oczysz-czania gazów odlotowych złożony ze skrubera oraz z filtru workowego. W próbkach pobranych z kanału gazów odlotowych za komorą dopalającą występują cząstki na-nometrowe (rys. 4). Ich kształt sugeruje, że są to nieregularne aglomeraty złożone z kulistych cząstek o średnicy paru dziesiątek nanometrów.
Tadeusz Czech et al. 88
Rys. 3. Analiza EDX składu pierwiastkowego dla różnych frakcji popiołu dennego pozostałego po spopieleniu odpadów medycznych
Rys. 4. Cząstki popiołu lotnego zebrane w ciągu kominowym po spaleniu odpadów medycznych. Kółkiem zaznaczono obszar analizy EDX, powiększenie ×50 000.
Rys. 5. Zdjęcie SEM oraz widmo EDX próbek popiołu lotnego powstałego ze spalania odpadów medycznych zatrzymanego wfiltrze workowym
3.2. POPIÓŁ LOTNY PO SPOPIELENIU ODPADÓW ZIEMI ZAWIERAJĄCEJ PESTYCYDY
W piecu obrotowym, w temperaturze od 1100 do 1200 oC, spalano ziemię zawiera-jącą pestycydy. Gazy wylotowe były oczyszczane w mokrym elektrofiltrze typu „pla-ster miodu”, w którym stosowano elektrody prętowe o średnicy 10 mm. Popiół lotny zebrano z suchych elektrod zbiorczych. Analizie poddano również zdegradowane elektrody prętowe. W odpylaniu spalin pochodzących ze spalania heksa-chlorobenzenu w kotłach obrotowych powstają pyły polidyspersyjne (rys. 6). Wi-doczne są cząstki drobne o średnicy około 100 μm, jak i cząstki o średnicy 1 μm.
a) b)
Rys. 6. Zdjęcia SEM cząstek popiołu lotnego zatrzymanego w elektrofiltrze po spopieleniu ziemi zawierającej pestycydy; powiększenie: ×5 000 oraz ×50 000
Wyniki analizy pierwiastkowej popiołu lotnego pochodzącego ze spalania heksa-chlorobenzenu przedstawiono na rys. 7. W pyle występuje duża zawartość niespalo-nego węgla (prawdopodobnie w postaci łańcuchów węglowodorowych). Zawartość
Tadeusz Czech et al. 90
siarki wynosi 3,5%, chloru 0,25% a suma metali alkalicznych (sodu, fosforu, magne-zu, wapnia) około 2%. Cząstki powstają w dwóch różnych procesach: niekompletnego spalania (cząstki sadzy, skondensowane związki organiczne, smoły, cząstki węgla drzewnego) oraz materiału nieorganicznego zawartego w paliwie. Duże cząstki po-wstają w wyniku aglomeracji, drobne są produkowane w wyniku zawiązywania się ziaren i kondensacji lotnych związków na niespalonych częściach węgla drzewnego lub sadzy. Popiół ten zawiera metale ciężkie (ołów: 0,02%, chrom: 1,22%, śladowe ilości cynku: ≤ 0,01%, miedź: 1,33%,) oraz związki kwaśne: siarka: 3,33% i chlor: 0,28%.
Rys.7. Widmo EDX popiołu lotnego po spopieleniu ziemi zawierającej pestycydy 3.3. ANALIZA POPIOŁÓW PO SPOPIELANIU
MATERIAŁU ELEKTRONICZNEGO (BATERII)
Struktura popiołów powstałych w piecu obrotowym po spopieleniu baterii przed-stawiona została na rys. 8 i 9. Proces spopielenia przeprowadzano w temperaturze ok. 800 oC.
Rys. 8. Zdjęcia SEM frakcji grubej popiołów powstałych po spaleniu baterii (cząstki ≤ 10 µm)
Analizując obrazy popiołów zauważa się ich dwumodalną strukturę: cząstki zwarte duże o wymiarach dziesiątek, a nawet setek mikrometrów (rys. 8) oraz drobne o wy-miarach nanometrowych i regularnych kształtach kulistych lub elipsoidalnych.
Analiza składu pierwiastkowego cząstek dużych wskazuje, że mogą to być ułomki metali (żelaza) pochodzące z obudowy baterii pokryte warstwą fosforu i manganu (tabela 1). Inny jest natomiast skład pierwiastkowy cząstek drobnych (rys. 9), które zawierają domieszki w postaci tlenków metali. Obecny jest tu zarówno mangan jak i kobalt, wykorzystywany w niektórych krajach w produkcji baterii litowo-jonowych lub stosowany w przemyśle elektronicznym.
Rys. 9. Zdjęcia SEM frakcji drobnej (cząstki ≤1µm) popiołów powstałych po spaleniu baterii
Tadeusz Czech et al. 92
Tabela 1. Analiza ilościowa głównych składnikow popiołu lotnego po spaleniu baterii
4. WNIOSKI
Na podstawie analizy kształtu i składu pierwiastkowego popiołów dennych oraz popiołów lotnych, należy stwierdzić, że:
- popiół denny po spaleniu odpadów medycznych zawiera głównie związki wap-nia, chloru, krzemu i aluminium w postaci tlenków lub soli,
- popiół lotny charakteryzuje się dużą zawartością chloru i metali ciężkich,
- obecność chloru w popiołach lotnych z równoczesną obecnością węgla w postaci sadzy może wskazywać na tworzenie się dioksyn i furanów w procesie spopiela-nia,
- podczas spopielania wszelkich odpadów należy się liczyć z możliwością emisji cząstek submikronowych, które nie są wychwytywane przez urządzenia odpyla-jące.
PODZIĘKOWANIA
Praca została wykonana w Instytucie Maszyn Przepływowych PAN w ramach prac statutowych O1/T3/Z4. Autorzy artykułu dziękują zakładom utylizacji odpadów za możliwość pobrania próbek do badań.
LITERATURA
[1] BROWN S., MILKE M., Seville E., Disaster waste management: A review article, Waste Manage-ment, 2011, Vol. 31, 1085–1098.
[2] CHEN D., WANG H.,HE P., Pyrolysis technologies for municipal solid waste: A review”, Waste Management, 2014, Vol. 34, 2466–2486. Składnik (w % at.) C O Fe P Co Ni Mn frakcja gruba (cząstki ≤ 10µm) 64,5 17,0 10,9 3,07 0,85 0,52 0,50 frakcja drobna (cząstki ≤ 1µm) 37,24 29,11 0,07 0,37 1,61 7,52 2,26
[3] GIDARAKOS E., PETRANTONAKI M., ANASTASIADOU K., WERNER-SCHRAMM,
Charac-terization and hazard evolution of bottom ash produced from incinerated hospital waste, Journal of Hazardous Materials, 2009, Vol. 172, 935–942.
[4] YIJUN XIE, ZHU J., Leaching toxicity and heavy metal bioavailability of medical waste incineration
fly ash, Waste Management, 2013, Vol. 15, 440–448.
PROPERTIES OF FLY ASHES FROM INDUSTRIAL SOLID WASTE INCINERATORS Specific, with respect to their treatment during incineration, are the medical and electronic solid wastes because of their chemical composition different from the municipal solid wastes. Although exist-ing methods of thermal incineration of those specific wastes are safe and environmental-friendly, the problem of disposals of those fly ashes and recovery of deficit elements such as gold, copper, heavy metals or rare elements from them is still unsolved. Plastics, derived, for example, from packages, cause additional emission of chlorine compounds, dioxins, furans, or heavy metal compounds, which are added as colorants or PVC additives. Properties of fly ashes collected from dust removal devices installed in a medical waste incinerator, electronic waste incinerator, and after an installation for dangerous wastes utilization (HCB contaminated soil) in rotary drum furnace have been compared in this paper.
oczyszczanie biogazu, sorpcja, glinokrzemiany, lotne metylosiloksany, siarkowodór
Kazimierz GAJ*