Testy wstępne separacji powietrznej popiołów lotnych

Testy wstępne separacji powietrznej popiołu lotnego przeprowadzono u wszystkich pięciu dostawców technologii, na materiale (N_T1), pochodzącym ze zbiorników retencyjnych popiołu jakościowego w JP5. Jego skróconą charakterystykę przedstawia Tabela 17. Materiał ten nie był zanieczyszczony amoniakiem.

Tab. 17. Testy wstępne separacji powietrznej – charakterystyka nadawy.

Popiół Miałkość

[%] LOI [%] TOC [%] D10 [µm] D50 [µm] D90 [µm]

N_T1 39,48 ± 1,41 4,13 ± 0,13 3,88 ± 0,15 6,39 ± 1,85 74,94 ± 20,63

219,06 ± 38,02

Dla uproszczenia opisu wyników uzyskanych w testach wstępnych, ponownie przywołano schemat zastosowanego procesu separacji (Fig. 16). W dalszej części opisu uzyskanych wyników testów, materiał pozyskiwany w pierwszym kroku separacji nazywany będzie frakcją drobną F1 lub frakcją odpadową/grubą C1. Materiał pochodzący z drugiego kroku separacji nazywany będzie natomiast frakcją ultradrobną, drobną F2 oraz frakcją opadową/grubą C2.

Fig. 16. Schemat testów wstępnych separacji powietrznej.

Analizę wyników uzyskanych w testach wstępnych separacji rozpoczęto od porównania jakości materiałów uzyskanych na poszczególnych urządzeniach. Na Figurze 43 zestawiono informacje na temat miałkości oraz TOC zmierzonych dla pozyskanych frakcji popiołowych (F1, F2) u każdego z Dostawców z osobna. Przedstawiono informacje na temat uziarnienia zmierzonego przez Dostawców urządzeń (D) jak i w laboratorium akredytowanym (L). Wybór parametru opisującego uziarnienie próbek dla testów u poszczególnych Dostawców, zależny był od sposobu w jaki

110 z 189 zaprezentowali oni dane w raportach końcowych z testów. Porównanie wartości oznaczone jako D oraz L miało na celu ocenę na ile możliwe było spełnienie celów jakościowych testów w kolejnych próbach separacji. Dane odniesiono do informacji na temat ilości frakcji drobnej uzyskiwanej w kolejnych etapach separacji. Dla każdego z Dostawców oraz kroku separacji wytypowano test, w którym otrzymano materiał o miałkości najbardziej zbliżonej do założonego celu przy jednocześnie najwyższej wydajności (zielone kółko przy numerze testu).

a) b)

c) d)

e) f)

g) h)

i) j)

Fig. 43. Wyniki testów wstępnych separacji powietrznej FRAKCJI F1 a) Bradley, c) Hosokawa,

e) Sturtevant, g) Metso, i) Comex, FRAKCJI F2 b) Bradley, d) Hosokawa, f) Sturtevant, h) Metso, j) Comex

Brak danych dla niektórych próbek (Fig. 43, a, c, g, j) oznacza, iż nie udało się pozyskać od Dostawcy danego materiału do dalszych analiz laboratoryjnych lub uzyskano od niego niepełną informację na temat parametrów zmierzonych w testach wielkogabarytowych. W oparciu o wyniki przedstawione na Figurze 43 podsumowano przebieg testów wstępnych separacji powietrznej. Dla każdego z Dostawców zweryfikowano możliwość pozyskania frakcji popiołowych o zadanych parametrach miałkości.

Dla prób F1-1 do F1-7 oraz F2-4 wykonanych na urządzeniach Bradley, (Fig. 43, a, b) zauważyć można znaczną różnicę w wartościach miałkości i parametru D90 w zależności od miejsca wykonywania analizy uziarnienia (D, EP). Po przeprowadzeniu weryfikacji z Dostawcą, ustalono, że różnice te wynikały z powtarzalnego błędu metodycznego, popełnionego przez Dostawcę w trakcie pomiaru. Błąd ten miał wpływ na dobrane ustawienia operacyjne urządzenia takie jak prędkość wirnika. W efekcie jego popełnienia, spośród prób F1-1 do F1-7, jedynie frakcja drobna otrzymywana w teście F1-6 spełnia założone wymagania jakościowe pod kątem miałkości. Błąd ten został wyraźnie skorygowany począwszy od testu F1-11. Dostawca nie dostarczył jednak informacji o ilości frakcji uzyskiwanej w tych próbach. Uwzględniając czynniki konstrukcyjne separatora (Rozdział 5.3.1) oraz

powyższe informacje założono, iż rzeczywista ilość uzyskiwanego materiału o miałkości poniżej 10%

jest nieco niższa niż wskazana przez Dostawcę. Pomimo popełnionego błędu możliwe było dokonanie wstępnej oceny działania urządzenia. Na podstawie informacji zawartych w raporcie z testów, Dostawca szybko odnalazł optymalne dla dostarczonej nadawy nastawy separatora. Przy stałych ustawieniach prędkości obrotowej wirnika oraz wydajności działania urządzenia, udało się pozyskać porównywalne wypady frakcji F1 o powtarzalnych parametrach jakościowych. W separacji frakcji ultradrobnej sterowano parametrami zarówno powietrza procesowego jak i prędkości obrotowej wirnika, co pozwoliło na optymalizację ilości uzyskiwanego materiału.

Na podstawie danych zebranych na Figurze 43, pkt. c, d, nie zidentyfikowano problemów w przypadku testów separacji na urządzeniach Hosokawa. Dla większości materiałów, dla których możliwa była taka ocena, uzyskano dobrą zgodność miałkości wyznaczonej w trakcie testów przez Dostawcę w porównaniu do wartości zmierzonych w laboratorium porównawczym. Proces separacji prowadzony był zatem w oparciu o rzeczywiste dane na temat jakości uzyskiwanych produktów.

Z danych dostarczonych w raporcie końcowym z testów wynika, że Dostawca przetestował szereg ustawień urządzeń różniących się prędkością obrotową wirnika, czy ilością nadawy podawaną w jednostce czasu. Wyraźnie widoczna jest zależność ilości uzyskiwanej frakcji drobnej od jej uziarnienia (Fig. 43, c, d). Im niższa miałkość materiału, tym niższy wypad materiału F1. W oparciu o dane przedstawione na Figurze 43 wnioskować można, iż separatory Hosokawa są bardzo czułe na rozkład uziarnienia stosowanej nadawy. Nawet niewielka zmiana ustawień eksploatacyjnych powoduje znaczną zmianę w jakości i ilości uzyskiwanego materiału drobnego.

W przypadku materiałów pozyskanych w testach na urządzeniach Sturtevant (Fig. 43, e, f) wartości miałkości, zmierzone w laboratorium porównawczym, wykazują bardzo dużą zgodność z pomiarami wykonanymi w czasie rzeczywistym w trakcie testów. W raporcie końcowym z testów, Dostawca wskazał, iż separacja prowadzona była w górnym przedziale maksymalnych wydajności urządzeń testowych. Znaczne obciążenie separatorów mogło negatywnie wpłynąć na ilość uzyskiwanej w procesie frakcji drobnej. Kolejne próby prowadzono przy modyfikowanych nastawach prędkości obrotowej wirnika (F1) oraz wydajności urządzenia (F1, F2). Uzyskano porównywalny, stabilny uzysk frakcji drobnej, bez wyraźnych wahań w zależności od miałkości uzyskiwanego materiału.

Z testów separacji przeprowadzonych na urządzeniach Metso, Dostawca zwrócił tylko część uzyskanych frakcji popiołowych. Nie możliwe było zatem wykonania porównawczych analiz laboratoryjnych dla wszystkich wykonanych prób separacji. Uniemożliwiło to pełną ocenę warunków prowadzenia testów. W raporcie końcowym, jako główny parametr sterowania procesem separacji, Dostawca wskazał ilość podawanego do separatora materiału. Firma Metso, nie dysponuje klasyfikatorem dedykowanym do pozyskiwania popiołu lotnego o parametrach frakcji F2. Podjęto

jednak próbę separacji możliwie najdrobniejszego materiału z wykorzystaniem dostępnej infrastruktury (Fig. 43, h). Z wykorzystaniem cyklonów możliwe było wytworzenie materiału o D90 = 23 µm. Na urządzeniach Metso przeprowadzono dodatkowy test (Fig. 43 g, F1-5) nieujęty w pierwotnym planie. Polegał on na poddaniu ponownej separacji frakcji odpadowej (C1) z próby F1-4. Celem tej próby była weryfikacja, czy możliwe jest zmniejszenie ilości odpadu po procesie produkcji materiału kategorii S, poprzez jego dalsze rozfrakcjonowanie. Udało się pozyskać zadowalający wypad (20%) materiału drobnego F1-5 o miałkości około 14%. Pod kątem miałkości nie spełnia on wymagań popiołu lotnego kategorii S, charakteryzuje się jednak znacznie drobniejszym uziarnieniem niż surowa nadawa przekazana do testów. Wyniki tej próby otwierają ciekawy kierunek do dalszej modyfikacji schematu separacji popiołu z wytworzeniem większej ilości produktów przy jednoczesnym minimalizowaniu ilości powstającego odpadu. W przypadku urządzeń firmy Comex możliwe było uzyskanie frakcji F1, materiał z prób pozyskania frakcji ultradrobnej nie spełniał natomiast wymagań pod kątem miałkości, stawianych w założeniach testów (Fig. 43, i, j).

W kolejnym kroku analizy wyników pozyskanych w testach wstępnych, zestawiono obok siebie dane na temat miałkości, TOC oraz procentowego wypadu frakcji drobnej dla najlepszych prób separacji u każdego z Dostawców. Wyniki przedstawiono na Figurze 44 a) dla materiałów frakcji F1 oraz Figurze 44, b, dla materiałów frakcji F2.

a) b)

Fig. 44. Zestawienie wyników najlepszych prób separacji a) frakcji F1, b) frakcji F2 na wszystkich przetestowanych urządzeniach.

Analizując dane zebrane na Figurach 43 oraz 44, wyraźnie zauważyć można wzrost wartości parametru TOC dla próbek frakcji F2. Aby lepiej zobrazować zjawisko, Figura 45 przedstawia zestawienie zależności TOC od wartości parametru D90 zbadanych próbek materiału pozyskanych na wszystkich pięciu separatorach. Każdy punkt na wykresie odpowiada jednej próbce materiału. Punkt czerwony reprezentuje parametry nadawy (N), punkty zielone frakcji F1 natomiast punkty pomarańczowe frakcji F2.

Fig. 45. Zależność TOC od parametru D90 frakcji popiołowych uzyskanych w testach wstępnych separacji.

W oparciu o dane przedstawione na Figurze 45, podsumować można, że w wyniku pierwszego kroku separacji otrzymany materiał średnio charakteryzował się niższą wartością TOC niż surowa nadawa. Jedynie dla kilku próbek zmierzona wartość TOC była wyższa niż w nadawie. Punkty te odpowiadają próbkom pochodzącym z testów na urządzeniach Hosokawa oraz Metso. Odwrotne zjawisko zaobserwowano dla próbek frakcji F2. W tym przypadku, jedynie kilka z materiałów ultradrobnych charakteryzowało się wartością TOC niższą niż nadawa. Swoiste zatężanie części palnych wraz ze spadkiem miałkości frakcji popiołowych, może stanowić poważne ograniczenie dla potencjalnych kierunków ich zagospodarowania. Część próbek popiołowych o doskonałej miałkości (F2) nie spełnia bowiem wymagań normowych popiołu kategorii A. Materiał ten nie mógłby zatem stanowić półproduktu w produkcji betonu oraz innych specjalistycznych materiałów budowlanych.

Przed przystąpieniem do testów separacji powietrznej nie spodziewano się takiego zjawiska.

Najdrobniejszy materiał, odbierany w inwentaryzacji popiołów lotnych z trzeciej strefy elektrofiltru, charakteryzował się statystycznie najniższą zawartością niespalonego węgla (Fig. 22, 23, 24, 28, 29).

Również w oparciu o dane literaturowe, np. publikacje Jones et al., 2006 oraz McCarthy et al., 2008, spodziewano się, iż proces separacji pozwoli na obniżenie LOI w materiale ultradrobnym lub przynajmniej utrzymanie tej wartości na stałym poziomie względem nadawy. Zaobserwowana zależność wydaje się być związana bezpośrednio z procesem separacji oraz właściwościami wykorzystanego surowego popiołu. Aspekt ten wymaga dalszej weryfikacji, którą przeprowadzono w oparciu o wyniki uzyskane w testach weryfikacyjnych dla kilku różnych próbek surowego popiołu lotnego.

Podsumowując wyniki pomiarów zestawione na Figurach 43 i 44, w pierwszym etapie separacji:

 Na urządzeniach wszystkich Dostawców udało się pozyskać popiół lotny o miałkości poniżej 10%). Spełniony został cel pierwszego kroku separacji. Najbardziej stabilne wyniki uzyskano korzystając z separatorów firmy Bradley.

 W najlepszych testach pozyskiwania frakcji F1 wypad materiału drobnego dla wszystkich urządzeń wynosił 60 – 70%. Największy średni wypad frakcji F1 zarejestrowano dla urządzenia firmy Bradley. Faktyczna ilość uzyskiwanego produktu może być jednak niższa o kilka stopni procentowych ze względu na opisany błąd w optymalizacji procesu, popełniony w trakcie testów. W dalszej kolejności najwyższy średni wypad produktu uzyskiwano na urządzeniu Sturtevant.

 Najwyższą wypad popiołu frakcji F2 otrzymano na urządzeniach Bradley oraz Hosokawa.

 Najlepszą powtarzalność wyników zarówno w aspekcie jakości produktu jak i stabilności wypadu frakcji drobnej separacji osiągnięto na urządzeniach firmy Sturtevant.

 Próbki frakcji F1 charakteryzowały się wartością parametru TOC niższą względem nadawy, natomiast materiał ultradrobny wartością wyższą niż surowy popiół.

W kolejnym kroku analizy testów wstępnych separacji, dane na temat wypadu frakcji drobnej oraz stabilności parametrów jakościowych uzyskiwanych produktów połączono z oceną otrzymanych ofert handlowych. Oferty handlowe zawierały informacje na temat szacowanych kosztów inwestycyjnych oraz operacyjnych. Celem tych działań, była ocena dostępnych rozwiązań, ich zaszeregowanie od najbardziej do najmniej optymalnego oraz zawężenie listy analizowanych urządzeń. Przeprowadzona ocena nie wchodzi w zakres przeprowadzonych prac badawczych i nie będzie szeroko omawiana w niniejszym doktoracie.

Na podstawie uzyskanych wyników jako najbardziej optymalne i rekomendowane do przeprowadzenia testów weryfikacyjnych zidentyfikowano rozwiązania firm Bradley, Sturtevant oraz Metso. W przypadku firmy Bradley kluczowym aspektem w dokonanej ocenie był wysoki wypad frakcji drobnej w obu etapach separacji (F1, F2) oraz możliwość prowadzenia procesu w szerokim zakresie uziarnienia na jednym urządzeniu. W przypadku urządzeń marki Sturtevant o wyborze zaważyła wysoka jakość przeprowadzenia testów wstępnych, posiadane doświadczenie oraz najniższe koszty inwestycyjne obliczone dla przyjętych założeń. O wyborze firmy Metso do dalszych testów, zadecydowały z kolei niewielkie rozmiary urządzenia oraz jego konstrukcja. Dodatkowo na podstawie wyników uzyskanych w teście F2_3 (Fig. 43, h) postawiono pytanie, na ile najdrobniejszy materiał pochodzący z separatora Metso różni się parametrami użytkowymi od popiołu ultradrobnego o D90 < 10 µm, pozyskanego na innych urządzeniach. Gdyby parametry użytkowe okazały się porównywalne, wysoki wypad frakcji drobnej byłby dodatkowym atutem przemawiającym za tym rozwiązaniem.