http://ago.helion.pl ISSN 1733-4381, Vol. 2 (2005), p-01-08
Charakterystyka produktów termicznego przetwarzania trójskładnikowego opakowania
Nowakowski J. *), Wandrasz J. W. **)
*) Technical University of Szczecin, Faculty of Mechanical Engineering,
Department of Heat Engineering, al. Piastów 19, 70-310 Szczecin, Poland.
**)
Silesian University of Technology,
Department of Technologies and Installations for Waste Management, Konarskiego 18, PL-44-100 Gliwice, Poland.
Streszczenie
W artykule przedstawione zostały wyniki prac badawczych oraz analizy składu i kaloryczności podstawowych produktów termicznego przetwarzania odpadowego opakowania kartonowego. Proces termicznego przetwarzania trójskładnikowego opakowania kartonowego przeprowadzono w atmosferze obojętnej (N2 +CO2) w
temperaturze 520°C, następnie gorący gaz procesowy schładzano w chłodnicy wodnej i poprzez filtr kierowano do analizatora składu spalin. W wyniku tych procesów wyodrębniono następujące produkty:
• Karbonizat – frakcja stała,
• Repolimeryzat – w temperaturze otoczenia gęsta, lepka, oleista ciecz, • Gaz procesowy.
Zakres analiz dotyczył przede wszystkim badań na zawartość pierwiastkowego węgla i wodoru w wyodrębnionych substancjach a także i w opakowaniu. Na bazie powyższych analiz dokonano zbilansowania tych pierwiastków co pozwoliło na określenie stopnia konwersji pierwiastków węgla i wodoru z substancji wejściowej do substancji wynikowych. Ponadto wykonano analizy kalorymetryczne w celu wyznaczenia ciepła spalania, które następnie przeliczono na wartość opałową. Wartości te porównano z wynikami obliczeń ciepła spalania uzyskanymi na podstawie analizy zawartości charakterystycznych pierwiastków oraz związków przy użyciu empirycznych zależności dostępnych w literaturze.
Wyniki wskazują na możliwość (a w procesach przemysłowych wręcz na konieczność) energetycznego wykorzystania głównie z powodu wysokiej entalpii chemicznej (wartości opałowej) tych substancji.
Abstract
Products of thermal processing of beverage packages
Although there is plenty of space to build landfills, some areas especially located in the neighbourhoods of cities may not longer be running for new landfills. Therefore countries and communities are looking for new ways to manage with municipal solid waste problem. Retrieval of materials found in the waste stream to a beneficial use as well as energy reclaiming plays presently very important role. The EU in their policy and regulations obliges us to find any effective methods and facilities in order to meet new standards in the waste management.
The paper describes a thermal decomposition method of three-component beverage packages containing among others the aluminium layer. An attention has mainly been focused on three products, namely: charcoal, wax and process gas. These products have been investigated in order to determine their calorific value and the other fuel properties. Based on the analysis results it was possible to evaluate the suitability for further use generally as an energy carrier. Aluminium as a recycled material has also been intended for further use.
1. Wstęp
Ilość miejsca przeznaczonego do składowania odpadów zmniejsza się z roku na rok, ponadto przyjęte regulacje prawne z chwilą wstąpienia do Unii Europejskiej wkrótce zabronią składowania odpadów nieprzetworzonych w jakikolwiek sposób. Poszukiwanie nowych metod i sposobów przetwarzania odpadów i na tej drodze odzyskiwanie z nich materiałów i/lub energii staje się koniecznością i to nie tylko ustawową.
W referacie przedstawiono termiczną metodę przetwarzania trójskładnikowego opakowania w wyniku której wyodrębniono trzy podstawowe produkty tego procesu: karbonizat, repolimeryzat i gaz procesowy a także aluminium. Następnie karbonizat i repolimeryzat poddano szczegółowym analizom kalorymetrycznym, dzięki którym możliwe stało się określenie przydatności tych produktów do dalszego zastosowania głównie jako nośnika energii.
2. Charakterystyka opakowania
Trójskładnikowe opakowanie, które poddano termicznemu procesowi przetwarzania było typowym opakowaniem przeznaczonym do długotrwałego przechowywania i transportowania wszelkich napojów płynnych o handlowej nazwie Tetra-Pak. Charakterystykę tego opakowania przedstawiono w tabeli 2.1
Szacuje się, że ilość tego rodzaju opakowań trafiających na nasz rynek a które po wykorzystaniu stają się problematycznym odpadem wynosi ok. 30 tyś Mg. Ze względu na rosnące spożycie napojów i wzrost poziomu życia ilość ta w krótkim czasie powinna się istotnie zwiększyć.
Tabela 2.1. Charakterystyka aseptycznego opakowań typu Tetra-Pak [1,2,3]
Standardowe opakowanie (wartości przeciętne)
Papier 75 [%-wag.]
Polietylen (PE-LD) 20 [%-wag.]
Aluminium 5 [%-wag.]
Zawartość wilgoci 3,0 [%-wag.]
Karbonizat 11,84 [%-wag.]
Popiół 3,06 [%-wag.]
Ciepło spalania 22,40 [MJ/kg]
Wartość opałowa 20,37 [MJ/kg]
Zawartość węgla pierwiastkowego 51,38 [%-wag.]
Zawartość wodoru pierwiastkowego 6,17 [%-wag.]
3. Aparatura pomiarowa i przebieg eksperymentu
Do wyodrębnienia zasadniczych składników procesu termicznego zastosowano układ doświadczalno - pomiarowy, którego schemat przedstawiono na rysunku 3.1. Układ składał się z pieca grzejnego umożliwiającego uzyskanie odpowiedniej temperatury procesu i jej stabilizację oraz komory reakcyjnej wewnątrz której możliwe było zapewnienie odpowiednich warunków do realizacji zadanego procesu.
Rys. 3.1. Schemat układu do termicznego przetwarzania opakowania
Gazy procesowe po opuszczeniu komory były kierowane do chłodnicy wodnej, gdzie w czasie schładzania na skutek kondensacji par i wydzielania niskowrzących substancji nastąpiło zainicjowanie procesu repolimeryzacji. Gazy procesowe były oczyszczane i osuszane na filtrze a następnie kierowane do analizatora składu gazu. Otrzymana w wyniku
schładzania frakcja (repolimeryzat) stanowi mieszaninę węglowodorów o zawartości węgla pierwiastkowego C5 →, o konsystencji lepko-plastycznej (w temperaturze otoczenia).
Proces w każdym cyklu pomiarowym rozpoczynano od temperatury otoczenia i doprowadzano układ do temperatury (końcowej) 520°C, szybkość przyrostu temperatury w fazie nagrzewania wynosiła 13
[
K/min]
dt d
= T
. Przez komorę przepuszczano gaz nośny (płuczący) o zadanym strumieniu objętości, który gwarantował zachowanie atmosfery obojętnej w czasie przeprowadzania całego procesu termicznego przetwarzania trójskładnikowego opakowania kartonowego. Gazami nośnymi zastosowanymi w tych badaniach był dwutlenek węgla (CO2), mieszanina gazów (N2 i CO2) w proporcji
objętościowej odpowiednio 80:20 a także w niektórych eksperymentach argon (Ar). W celu zwiększenia pewności zachowania warunków inertnych wewnątrz układu ciśnienie gazu nośnego było większe od atmosferycznego (nadciśnienie gazu wynosiło 1,5 bar).
Podstawową aparaturą kontrolno-pomiarową użytą w doświadczeniach były: analizator spalin typu Matador GA-40 plus podłączony do komputera, termometr z sondą termoelektryczną typu K oraz precyzyjna waga i zawór regulacyjny sterująco-kontrolujący przepływ gazu nośnego. Poniżej scharakteryzowano podstawowe wielkości jakie były rejestrowane przed, w czasie i po przeprowadzeniu eksperymentu:
• masa próbki; dokładność pomiaru 0,0001g, • masa aluminium; dokładność pomiaru 0,0001g, • masa karbonizatu; dokładność pomiaru 0,0001g, • masa repolimeryzatu; dokładność pomiaru 0,0001g,
• strumień objętości gazu nośnego; dokładność pomiaru 0,001Nl/min, • czas; oraz wynikająca z analizy składu gazu
• zawartość [CO2]; dokładność pomiaru 0,1%,
• zawartość [CO]; dokładność pomiaru 1ppm,
• temperatura wewnątrz komory tożsama z temperaturą wsadu, dokładność pomiaru 1K.
4. Wyniki analiz
W wyniku termicznego przetwarzania w określonych warunkach trójskładnikowego opakowania wyodrębniono następujące produkty:
• karbonizat, • repolimeryzat, • gaz procesowy, • aluminium.
Wygląd repolimeryzatu, karbonizatu oraz wydzielonej folii aluminiowej przedstawiono na rysunkach 4.1 i 4.2 (fot. J.W. Wandrasz).
Rys. 4.1. Widok repolimeryzatu Rys.4.2. Widok aluminium i karbonizatu Ilości uzyskanych na tej drodze produktów przedstawiono w tabeli 4.3. Wyniki przedstawiono jako udziały masowe i wyrażono w % w odniesieniu do jednostki masy opakowania.
Tabela 4.1. Wyniki analiz wagowych (wartości uśrednione)
Składnik [%-wag.] Karbonizat 14,94 Repolimeryzat 21,80 Aluminium 4,89 Gaz procesowy *) 58,37 *)
wynik uzyskany poprzez zamknięcie bilansu masy
4.1. Analiza pierwiastka węgla i wodoru
Do oznaczenia węgla i wodoru pierwiastkowego zastosowano urządzenie typu PR – 45/1350 – M zaś obliczenia wykonano metodą Sheffield’a zgodnie z normą PN – 73/G – 04521. Wyniki analiz zestawiono w tabeli 4.2.
Tabela 4.2. Zawartość pierwiastka węgla i wodoru
Węgiel Wodór Składnik [%-wag.] Karbonizat 11,73 0,32 Repolimeryzat 17,04 2,29 Gaz procesowy *) 22,61 3,56 Opakowanie trójskładnikowe 51,38 6,17 *)
4.2. Kaloryczność produktów termicznego przetwarzania
Ciepło spalania karbonizatu oraz repolimeryzatu wyznaczono przy pomocy standardowej bomby kalorymetrycznej zgodnie z procedurą podaną w [4], natomiast dla gazu procesowego ciepło spalania wyliczono na podstawie zawartości pierwiastków węgla i wodoru. Następnie wartości te przeliczono na wartości opałowe dla poszczególnych składników.
Tabela 4.3. Ciepło spalania i wartość opałowa poszczególnych frakcji
Składnik Wg [MJ/kg] Wd [MJ/kg]
Karbonizat 28,73 28,24
Repolimeryzat 42,33 39,97
Gaz procesowy *) 20,71 19,34
*)
obliczono na podstawie analizy składu elementarnego
4.3. Częściowa analiza składu gazu procesowego
Na rysunku 4.3 przedstawiono przykładowe wyniki pomiaru zawartości [CO] w analizowanym gazie procesowym. Dane te mogą mieć charakter jedynie poglądowy, ilustrujący proces gwałtownego zgazowywania substancji poddanej termicznemu przetwarzaniu, ponieważ w wielu przypadkach zakres pomiarowy użytego analizatora był przekraczany, co spowodowało niedokładności w pomiarach. Jednak wyraźnie widoczny jest moment rozpoczęcia i zakończenia intensywnego procesu wyzwalania się substancji lotnych z materiału wsadowego.
Natomiast na rysunku 4.4 przedstawiono przykładowe wyniki zawartości [CO2] w
analizowanym gazie procesowym. Na uwagę zasługuje fakt wywiązywania się dwutlenku węgla pomimo zapewnienia atmosfery obojętnej (brak wolnego tlenu w postaci gazowej) w czasie trwania procesu. W tej sytuacji należy wziąć pod uwagę fakt, że papier jako główny składnik opakowania kartonowego zawiera m.in. celulozę, która to jest nośnikiem tlenu. Ponadto reakcjom utleniania mogą sprzyjać różne środki zawarte w substancjach uplastyczniających polietylen. Dodatkowo zwrócono uwagę na fakt, że analizator składu gazu wskazuje inną zawartość początkową [CO2] (pomimo kalibracji przyrządu) jak też i
końcową po ustaniu procesów odgazowywania niż podaje to dostawca gazów technicznych, zamówiono bowiem mieszaninę gazów N2 i CO2 w proporcjach objętościowych
odpowiednio 80:20.
Rys. 4.4. Zawartość [CO2] w analizowanej próbce gazu procesowego
5. Uwagi końcowe
Z uwagi na odzysk aluminium i jego jakość a także ze względu na bezpieczną eksploatację systemów przetwarzających tego typu substancje temperaturę procesu ograniczono do 520°C, czyli temperatury niższej od temperatury topnienia aluminium. Temperatura ta jednocześnie zapewnia odpowiednie warunki do przeprowadzenia tego procesu. Następuje całkowite przetworzenie polietylenu zawartego w opakowaniu oraz oddzielenie aluminium od pozostałych składników trójskładnikowego opakowania.
Produkty termicznego przetwarzania opakowania kartonowego charakteryzują się wysoką wartością opałową a w odniesieniu do repolimeryzatu i gazu procesowego spalają się
bezpopiołowo. Całkowita zawartość substancji mineralnej w opakowaniu (ok. 3%) „przechodzi” do karbonizatu i po procesie spalania stanowi popiół. Zatem produkty termicznego przetwarzania mogą być z powodzeniem wykorzystane jako nośniki energii biorąc głównie pod uwagę ich wysoką entalpię chemiczną oraz niską zawartość składników balastowych. Taki sposób wykorzystania produktów powstałych przy termicznym przetwarzaniu substancji odpadowych powinien przyczynić się do poprawienia stopnia zagospodarowania paliw i energii, która musiała by być dodatkowo zużyta dla podtrzymania procesu.
W odniesieniu do gazu procesowego a także repolimeryzatu ze względu na dużą zawartość w nich węglowodorów mogą stanowić one cenny surowiec do zastosowania w przemyśle chemicznym lub do dalszego przetwarzania (uszlachetniania).
Literatura
[1] Charlier Ph.: Eurofoil S.A., Dudelange, Luxembourg, Gösta Sjöberg: Finspong Aluminium AB, Finspong Sweden.
[2] Nowakowski J.: Analiza odzysku materiałowego i energetycznego w procesie przetwarzania trójwarstwowych opakowań spożywczych. Rozprawa doktorska. Gliwice 2005.
[3] Sørum L, Grønli M.G, Hustad J. E.: Pyrolysis characteristic and kinetics of municipal solid waste. Fuel 2001 (80), 1217-27.
[4] Wandrasz A.: Metody oceny wartości opałowej substancji niejednorodnych. Paliwa z Odpadów (Tom IV) 2003. Praca zbiorowa pod redakcją Janusza W. Wandrasza i Krzysztofa Pikonia.
