Badania możliwości zastosowania w procesie sorpcji karbonizatu z pirolizy odpadów

(1)

ZESZYTY NAUKOWE PUTE C H N I K I ŚLĄSKIEJ

Seria: ENERGETYKA Z. 97

_________ m z

Nr kol. 1011

H«nata PRZYWARSKA

Instytut Inżynierii i Teohnologii Wody, śoieków i Odpadów Politeohniki śląskiej w Gliwioaoh

BADANIA MOŻLIWOŚCI ZASTOSOWANIA W PROCESIE SORPCJI KARBONIZATU Z PIROLIZY ODPADÓW

Streszozenle. W artykule przedstawiono wyniki badań wła'śoiwośoi sorpcyjnych karbonizatów uzyskanyob w prooeaie odgazowania odpadów komunalnych i zużytyoh opon saaoohodowyoh przed i po aktywaoji parą ^ wodną w prooeaie zgazowywania. Próby wypadły pozytywnie dla kurboni- zatu z opon.

OZNACZENIA

v.- szybkoóó reakcji, mol.a"1, p - oiónienie cząstkowe, Pa,

— 1 3 — 1 — 1

k - stała szybkośti, pierwszego rzydu s , drugiego rzydu da .mol .s A - stała Itrrheniusa, •"*,

E^- energia aktywaoji, J.aol~ł- R - stała gazowa, 8,31** J.sol*'.K"*, T - temperatura, K,

|J — współozynnik sprawnoAoi,

_

3 o^-stęienie środka zgazowująoego w fazie gazowej, mol.da , F - wewnętrzna powierzohnia materiału wsadowego, a a

L - oałkowita długość porów., A°, r - średni preaień porów., A°, D - współozynnik dyfuzji, Kp- stała Freudlioha,

(2)

Renata Frzywarska

n - wykładnik potęgowy izotermy Freundlioha, a - Ilość zasorbowanego fenolu, mg/dm^,

q - ilość fenolu zaiorb o w u u g o przez 1 g sorbenta, ag/g

C - wyjściowo ■tętanie fonolu przypadająoa na 1 g sorbenta, mg/g

1. WPROWADZENI*

Wykorzystanie otalyoh produktów plrollny odpadów etanowi problem otwarty 1 decyduje m.in. o prowadzeniu tej metody unieszkodliwiania odpadów*

o

Sposób wykorzystania zalety od wlaśoiwośoi karbonizatu.

Karbonizat z pirolizy żutytyoh opon samoobodowyoh stanowi przedmiot badań wlaśoiwośoi sorpcyjnych /wartość opalowa ok* 31Ó00 kJ/kg, zawartość węgla ok* 87 % wag* / i 1-3 J.

Karbonizaty uzyskane z innych SMterlalów /odpady komunalne, osady/, Jak wykazały badania, posiadają słabe działania sorpoyjt-e /wysoka zawartość popiołu/, ale m o t t na Jest z powodzeniem zastosować w prooesie odwadniania osadów śoiekowyoh t U ] .

Celem przedstawionych badań było sprawdzenie motliwośoi stosowania karbonizatu z pirolizy odpadów komunalnyoh i zutytyoh opon samoobodowyoh w prooesie sorpoJif

Zakres badać obejmowali charakterystykę karbonizatów, ooenę ioh właśoiwoś -oi sorpcyjnych na pomooą fenolu w fazie wodnej przed i po aktywaoji parą wodną w prooesie zgazowania.

\

■ i 2. PODSTAWY TEORETYCZNE BADAŃ

Aktywacja sorpcyjna karbonizatu z pirolizy odpadów ma na oelu zwiększe

nie Jego porowatośoi, oo Jest bezpośrednio związanie ze zwiększeniem powie

rzchni właściwej.

Proponuje się zastosowanie procesu zgazowania parą wodną. Prooes «gazowa

nia motna opisać przed podstawowe reakdje ohemiozne zaohodząoe pomiędzy pierwiastkowym węglem i nośnikiem tlonu lub powstającymi z nioh g a z a m i :

(3)

badania notllwoioi zastosowania • 561

|C ♦ II20 ; = ^ C 0 ♦ II2 /131,5 kJ/mol/ /1 / C + 2H20 i = » C 0 2+ 2H2 /P1,1 kJ/mol/ /2/

COv HjO ? = i C02+ H 2 /-'♦O,! kJ/mol/ /3/

C + C 0 2 i = ^ 2 C 0 / I71,4 kJ/mol/ / V Mechanizm reakoji cgaionania opisuje Reiohenberger [5]«

'ą

Para wodna zostaje wstępnie zaadsorbowana powierzchniowo przez węgiel.

Następuje reakaja z węglem, przy ozym oząsteozki wody ulegają rozerwaniu.

Tlen i wodór zostają powierzohniowo związane na węglu.

Jako poórednie stadia mogą występować grupy OH i zaadsorbowana atomy wodoru. Dalej następuje desorpoja wodoru i powstanie CO w rsakoji węgla fc tlenem zaadsorbowanym na Jego powierzchni. V dalszy oh rsakojaoh z parą wodną powstaje COg 1 ll^.

Występująoe w prooesle zgazowania zależnoóoi kinetyczne motna okreólió za pomocą następującego wzoru [6]:

k 1 * **h2 O

1 ♦ k2 . pu 0 ♦ k_ , p

/5/

Stale k^ i k^ moZna zastąpić stalą k wyznaozoną z ogólnego równania Alrshmniusa >

5a KT

k a A . e /6/

Zakładająo, Ze stale k2 i k ^ zmierzają do zera otrzymujemy /7/ >

V = k m * ° o * ? / 7 /

Stała km Jest proporoJonalna do wewnętrznej powieraohni koksu 1

k o k . F /8/

Współczynnik sprawnoóoi wyraża się następującym wzorem /7/ 1

7 * 7 " t« h f / 9 /

(4)

562 R.Przywarska Wielkość 5 Jest przez Petersa i Juntgena definiowana następującym «

wzorem /7/ *

/ ¹⁰ /

Określa on szybkość reakcji w zaleZneśoi od powierzchni wewnętrznej F, wielkość ziarna d, średniego promienia porów r i współczynnika dyfuzji 1).

ZaloZnośói tonporaturowo są określone przez stalą kQ *

Współczynnik dyfuzji tylko nieznaoznie zalety od temperatury.

Stała k& znajduje alf w równaniu pod pierwiastkiem i w związku z tym nie odpowiada oałkowioie równaniu Arrheniuea /6/.

Energia aktywaoji dla dyfuzji przez pory Jest równa połowie energii aktywaoji roakaoji ohemioznyoh.

Ola prowadzonyoh badali istotne znaozenie aa wpływ stosowauyoh nośników tlenu na szybkość prooesu zgaaowaniaf 6 J.

Okazało *ly, Ze zgazowanie w temperaturze 973 K parą wodną odbywa się około dwa razy szyboiej ni z przy zastosowaniu dwutlenku węgla.

J. PRZEBIEG I WYNIKI BADaA

Karbonizaty do badać uzyskano w procesie odgazowania odpadów komunał- nyoh, wstępnie przygotowanyoh /rozdrobnienie, oddzielenie szkła, metali, kamieni/ oraz zutytyoh opon samoohodowyoh /rozdrobnienie/ w laboratoryj

nej instalaoji modelowej w temperaturze odpowiednio

1173

i

973 K.

Składa się ona z elektryoznsgo pieoa oporowego typu Jenknera, z oylindryozną retortą, pojemności 1,96 dm^, wykonaną ze stali Żaroodpornej oraz z ze

stawu urządzeń słuZąoyoh do rozdziału, oozyszozania i pomiaru wydajności

(5)

uzyskiwanych produktów pirolizy* Charakterystykę karbonizatów przed*ta-

wiono w tablioy 1. Tablioa 1

Jgądaplą moilittońoŁ anstosoweala ... - 563

Charakterystyka karbonizatów z pirolizy odpadów stalyoh

Oznaczenie Odpady

komunalna

ZUtyte opony samoohodowa

Wilgotność oalkowita, % wag. 1.1 0,9

H % wag. 3,3 2,1

C £ wag. '♦O, 3 85,7

0 + N + S _% wag. 3,3 3,» /w tym 0,6 3,

Substanoje mineralne % wag. >*9,8 8,1

Ciepło spalania kJ/kg 19325,0 33390,0

Powierzohnla właśoiwa •

/BET/ m2/g 12,1 3«,5

Kerbonizaty poddawano aktywaoyjnsj obróboo, która polegała na przepuszcze

niu przez warstwę rozgrzanego do temperatury 1 1 2 3 K kaTbonizatu wstępnie ogrzanej pary wodnej przez okres 120 minut. V tym oelu wyposażono Inetalo- oję do odgazowanla odpadów w dodatkowe urządzenia umożliwiające wytworze

nie 1 przepuazozenie pary wodnej przez warstwę k a r b o m z a t u /rys* l/>

Do badań wlaśoiwośoi sorpoyjnyoh karbonizatów zastosowano roztwory wodne fenolu, a jako subotanoji porównawozej utyto węgla aktywnego - carbopoi Z-k. Badania sorpoji prowadzono metodą statyczną,Roztwory poddawano wytrząsaniu przez okras 2 godzin, po ozym w oelu oddzielenia sorbonta od roztworu sąozono Je przez twardą bibułę filtraoyjną. Oznaczeni* stęże

nia fenolu dokonano na spektrofotometrze Unioam SH-B00 w ultrafiołeolo.

Wyniki badań wpływu dawki karbonizatów przed i po aktywaoji parą wodną na efekt sorpoji podano w tablioy 2.

Matematyczna interpretacja wyników badań wykazała, Ze moina Ja przedsta

wić wg równania freundlioha.

(6)

R.Przywarska

Rys. 1. Schemat inataJ.aoJi doświadoaalneJ do aktywacyjnej obróbki karbo- nizatu uzyakaaago w proossis pirolizy odpadów:

1 - piso elektryozny, 2 - retorta, 3 - termopara,

k - multimetr, 3 - autotransformator, 6 - kooiolek do wytwarza

nia pary wodnej, 7 - grzałka oporowa, 8 - złąozka oiónieniowa, 9 - ohlodnioa wodna.

•

Fig. 1. Flow diagram of investigations stand for aotivating prooossing of oarbonizate produosd during waste pyrolysis

t - sleotrio furnaos, 2 - retort, J - thermoelement,

k - multimeter, 3 - autotranasformer, 6 - steam generating boiler, 7 - rssistanoe heater, 8 - pressure óoupling, 9 - water oooler

Dla opisania izotermy eorpoji Freundlloh zastosował równanie wykładnicze (Si:

q m Kp e Cn / 1 2 /

Po zlogarytmowaniu otrzymujemy i

1* 1 " 1« Kj. • “ 18 c /13/

Zasorbowanie przez 1 g eorbenta ilośoi fenolu /q / , odpowiadająoe loh wyjściowym iloóoiom przypadającym na 1 g eorbenta / o / , naniesiono na prostokątny układ współrzędnyoh logarytmicznyoh /rys. 2 1 3 /

(7)

Zestawieniewynikówbadańwpływudawkikarboniaatunaefektaorpeji

Badania rrożliwości zastosowania ... ₅₆₅

1N H 1

2

3

*►»

fr

U 2!

:I

I !

2 a

id O3 8

* l a v

I? n

_4»

S. ® <

J3 O I

-ł l

^{e tf-a}

UI

r * 8 ^d

« ) o

d d <-t d 1 * 1

U l i

ho i S i

° i $ 0

• -n d

a

O b o a • i

I « Ti Si

H O 2 &

•H '

a |

N 3 e 8

3 *

S - S

8 3■ o

•a e i d n

? I « B d a tj Q d o ® X

d n i «

•o* aa

® <tf "1 N ^ * UO ⁰ a o es id p£ (tf 0 ♦»

O o n O l o r * n NO n O n

ek « Sk Sk et e t ek ek

¥ n V O * • e — n 0 0 O n ON m

O n r - N O n • 4 * n n CM * “

n * »

o o n CM o N O n o i - 4 On n

ek ek e s e t Sk ek e> Sk ek

m n r * On O l r * O n On N O m

0 0 n N O n - 4 n n CM

CM

n o O o O o o • 4 * 0 0 o

ek « e» e t Sk e . ek ek e t

<M n n n N On O e * CM CM 0 1 n

- * n n • ¿ r n n m n m m

» • * ■ e—

* * * * • e *

n o o n O n o o o o O o

e s Sk ek ek e t e t «k ek e» e t e t

O O l O l n n - 4 n v O a o On o

O 8

O O O O W N O W I O ^ O I O I A

o m O l O N n N O

ek n

m 8

Sk tP»

N O ek

m ek n - 4 * R ^On

et O n

m On ek eh

o i «a» r * m

O O KI

4 « P i o a o r ^ s o - d - c i o o

c o o > o o

S i i §

o

O m m O O O

i 2

O

m »n NO n NO R O

00

O m o * > m n o v o r - m m

a a e a e e e a e i i a a

O 4 oo ^ n n »• o\ ^

O n o n n o o

a a a a a a

i n 4 ' p * • v o o

* • o t n 4 4 n

n o o n o n

a a » * » * 0 »• N N f>

<M *- Ol *GO

1 * * O

NO 01 ••

8

CK i * •

I o e>

r>-

o o NO

0 0 et

et e t O

w -

O O CM

et

- * m

m m

o O f NO

n CM

Sk

o o O

et et ek

m NO e "

T " CM

o Sk

'On o«k n

n ek

O -*n

Sk o

no m> n o

a a a a

o n r* n n NO 00 On

o o o -o a a a O

NO 00 On ^

^ o n

« i * •

o o o

c on

• o o

R &

ek a>

o o

«k #k et R • * S

M N

e» ek I O o

n o

et «h (30 ON

o o O O O O m o p o o o O M i n N O o o o

W n łi> 00 e«ea»e-e- e* Cl

(8)

R.Przywagska

Rys.2. Izoterma sorpcji fenolu dla karbonlzatu z pirolizy odpadów komunalnych ( 1 - przed, 2 - po obróbce aktywacyjnej )

Rys.3. Phenol sorption Isothermal line for carbonízate from municipal waste pyroljrsis ( 1 - before, 2 - after activating processing )

(9)

10 20 30 AO 50 60 80' «0 MO JOO «0 (00 W W C --- *•

Rys. 3. Izoterma sorpoji fenolu dla karbonlzatu z pirolizy zużytyoh opon samoohodowyoh /i - przed, 2 - po ohróboe aktywacyjnej/

1 dla węgla aktywnego, oarbopol Z~k /3/.

Fig. 3« Phenol sorption Isothermal line for oarboni zat o from oar tyres pyrolysis /1 - before, 2 - after activating processing/ and for activated oaarbon, oarbopol Z - k /3/

k . PODSUMOWANIE

Zestawienie wyników badań wpływu dawki karbonizatów przed i po akty- waoji p a r w o d n ą na efekt sorpoji podano w tablioy 2. Przebieg izoterm sorpoji dla karbonizatów przedstawiono w prostokątnym układzie współrzęd

nych logarytmicznyoh /rys. 2 i 3/.

(10)

5bB_______________________ ___________ ___________________________ R . P rz y w a r nk«_______

Badania wykazały bardzo alaba działania sorpcyjne karbonizatu z odpadów komunalnyoh. Wyniki są nieporównywalna z wynikami dla węgla aktywnego oarbopol Z-4. Okazało się, ta aby uzyskaó taki sam afekt sorpoji, trzeba niyó odpowiednio ok. 10 razy większyoh dawek karbonizatu z odpadów komu

nalnyoh w stosunku do dawek węgla aktywnego» Pozytywnie wypadły wyniki badań właóoiwoioi sorpoyjnyoh dla karbonizatu z opon samoohodowyoh w odniesieniu do węgla aktywnego.

WftaóoiwoAoi sorpoyjne ulegają cnaoznej poprawie po aktywaoifi parą wodną. Wyraźnie Jest to widoozne w przebiegu izoterm sorpoji. Prosta bar

dziej płaska i o mniejszym kąoie naohylenla dotyozy karbonizatu przed aktywacją. Są te Jednak wyniki wsią,i niezadewalająoe dla raosllwoioi zasto

sowania karbonizatu w miejsoe węgla aktywnego /efekty ekonomiczne/ w pro- oesaoh sorpoji.

Badania w zakresie polepszenia wlaieiwoioi sorpoyjnyoh karbonizatu naleZy kontynuować stosując różne metody aktywaoji, np. zgazowanle fluidal

na.

LITERATURA

n

1, Billtewskl Ben, Monnig A.i Abfallwlrtsohaft an der Teohnlsohem Universität Berlin 2, 1978 r. Heraussyeberi K.J. Thome - Kozmiensky, 2, Bilitewski B. i Redyoling Berlin 79» Band I» 1979» e.770» Herausgeber i

K.J.Thome'- Kozmiensky» Freitag Verlag Berlin.

3„ Bilitewski B»it Wasser, Luft und Betrieb 12/1980, s.35«

k , Zieliński J.» Przywarska R.t Reoyoling Berlin 79» Band I, 1979, a*763»

Herausgebert K.J.ThomJ-Kozmiensky, Freitag Verlag Berlin 3, Reiohenberger J. i Biss Aaohen 197**,

6, Qadsby J. , Uinsbelwood C.N. , Sykes K.W. j Proo.Roy .Soo,, 1946 s. 129 7, Peters W., Juntgen H.t Brennstoff - Chemie, 46, 1965, s. 56 i 175«

8, Sontheimer U. l Verfahreneteohnisoho Grundlagen von Adsorption und Jonenaustauoh. Teohnisohe Hoohsohule, Karlsruhe 1975*

Wpłynęło do Redakajii październik 1986 r. Reoenzent

Doo. dr hab. lnZ. L.Troniewski

(11)

BeuixniA nafcllwofecl z a s t o s o w a n f a . 569

INVESTIGATING THE POSSIBILITIES OF CARBONATE USAGE FROM THE WASTE PYROLISIS IN THE PROCESS OF BORPTION

S u m m a r y

The teats ware oeuried out in the laboratory model installation.

Carbonatea were obtained in the prooeas of munloipal waste and worn * out tyres outgassing.

The eorptlon properties were tested using phenol water solution, and the aotivated oarbon - Karbopol 2-4, as the comparative substanoe.

Carbonatea were subjeoted to steam aotivatlon in the prooeaa of gaslfi- oation. The results of the teats were presented graphically with tha help of sorption isotherms.

Carbonatea from munloipal waste show very weak sorption aotlon.

The testa with the oarbonate from tyrea in relation to activated oarbon give poaiteve effeot.

HCCJIEflOBAHHE B03M0IH0CTEH IlPHMEHEHHfl KAPE0HH3ATA, nOM'IEHHOrO B PE3yJIBTATE nHP0M3A OTXOflOB B nPOUECCE COPEUMH

Pe3ioue

WccJieaoBaHHH npoBejneHO b jiaflopaTopm nc ycjiO Biw x. KapfioHHaaTN Chjih n o - jiyMOHU b n p o u e c c e a e ra 3 a n n w KOMMyHaAbHNX otxoaob n naHomeHHHX aBTonoKpu- uieK. Cop<5unoHHue cboBc t b s MocjieziOBajiHOB c npRueHeHweM boahoto paciBopa

$0HOJia,B Ka^ecTBe cpaBHHTGJibHoro BemecTBa <5hji ncnoBi>30Batt"KapflonoBB 2 - 4 " . Kap(5oHH3aiu n o flB e p rn y ro aKTMBauwH boabhnm napoM b n p o u e c c e raangM Kavw*

Pe3yjn>TaTN uccjieflOBanwH npeacTaB A enu rpafJmeoKW o noMOtm»» w a o ie p u copfiunw.

y Kap6oHH3aTOB H3 KOMMynajibHnx otxoaob ofinapyaceHO CJiaCJoe cop(5unoHnoe A efl- CTBwe. IlojiosHTeJibHfcie peayjibTaTU (Smah noAyvoHbi aah Kap<5oHH3aT8 H3 aBTono- KpHllieK .'