http://ago.helion.pl ISSN 1733-4381, Vol. 10(2008), p-77-86
Wpływ składowania paliwa z biomasy drzewnej i osadów ściekowych na jego właściwości
Wzorek M.,
Katedra Inżynierii Procesowej, ul. Mikołajczyka 5,
45-271 Opole,
tel. (+48 77 4006013), fax (+48 4006381), m.wzorek@po.opole.pl
Streszczenie
W pracy dokonano oceny wpływu składowania paliwa z osadów ściekowych i trocin na jego wybrane właściwości. Oprócz właściwości energetycznych, szczególną uwagę zwró-cono na właściwości fizyczne, mające wpływ na operacje techniczne przed wykorzysta-niem paliwa w procesie współspalania z węglem. Badania prowadzono przez okres 6 - ciu miesięcy, w trakcie którego oznaczono zmiany m.in. takich wielkości jak: wilgotność, ciepło spalania i wartość opałowa oraz wytrzymałość paliwa na zrzucanie. Paliwo poddano również testom mrozoodporności i wodoodporności i dokonano oceny zawartości zanie-czyszczeń wymywanych z paliwa podczas jego składowania. Na podstawie przeprowadzo-nych badań można stwierdzić, że paliwo można okresowo składować przed jego energe-tycznym wykorzystaniem.
Abstract
The influence of storing of the fuel based on sewage sludge and sawdust on its
chosen prosperities
In the paper the influence of storing of the fuel based on sewage sludge and sawdust on its chosen prosperities is presented.
Energy characteristic and physical prosperities, which have important to transport and stor-ing operation before its co-combustion with coal, have been defined. The investigations were led by period of six months, during which the changes of prosperities e.i. moisture, the heat value and drop strength have been marked. It was also done the tests of resistance to forst and waterproofness of the fuel. To determine the environmental impact when the fuel is stored, the produced fuel was subjected to the tests on harmful substance elution. Basing of conducted experimental tests it is possible to affirm that the fuel from sewage sludge and sawdust could be periodically store before its combustion.
1. Wstęp
Aby sprostać wymaganiom stawianym odpadom wykorzystywanym energetycznie coraz częściej stosowane są metody łączenia różnego typu odpadów i tworzenia mieszanek od-powiadających zarówno pod względem energetycznym i fizycznym procesom w jakim mają być zastosowane.
Odpady poddawane są procesom scalania tj. peletowaniu, brykietowaniu czy też granulacji, które to pozwalają na uzyskanie paliwa o zadanej formie ułatwiającej operacje związane z transportem i składowaniem [1,2,3].
Na jakość formowanego paliwa wypływ ma wiele czynników m.in. takich jak: właściwości materiału i jego podatność na procesy formowania, wilgotność mieszanki, parametry pro-wadzenia procesu oraz warunki składowania już wytworzonego paliwa. Niewątpliwie rów-nież odpowiednio dobrany dodatek w postaci lepiszcza może wpływać na podniesienie walorów fizycznych paliwa, przy założeniu, że nie ma on negatywnego oddziaływania na proces spalania i emisję spalin.
Trwałość paliwa określają parametry wytrzymałościowe, a ich znajomość pozwala na oce-nę możliwości poddania paliwa operacjom związanym z transportem. Oczywiście właści-wości określające trwałość materiału powinny zostać zachowane podczas okresu składowa-nia paliwa przed jego energetycznym wykorzystaniem.
Odpadami, na które od wielu lat zwraca się szczególną uwagę są osady ściekowe. Istniejące prawne ograniczenia związane z ich składowaniem sprawiły, że coraz częściej mówi się o poddawaniu ich procesowi termicznej utylizacji, jako jednej z głównych metod ich uniesz-kodliwienia
Właściwości energetyczne osadów ściekowych mogą być zwaloryzowane poprzez ich wspólne wykorzystanie z innymi odpadami m.in. odpadami powstającymi w czasie mecha-nicznej obróbki drewna tj. trociny, wióry czy też pył drzewny. Prezentowane badania doty-czą oceny zmian właściwości granulowanego paliwa wytworzonego z osadów ściekowych i trocin podczas jego składowania.
2. Materiał badawczy i metodyka badań
Do wytworzenia paliwa z osadów i trocin, które nazwano paliwem PBT wykorzystano granulator bębnowy z matrycą formującą pozwalającą uzyskać granulat o średnicy 35 mm [4]. W granulatorze następowało zarówno formowanie paliwa oraz jego suszenie do wil-gotności 7%.
Do badań wykorzystano przefermentowane osady z komunalnej oczyszczalni ścieków i trociny pochodzące z zakładu obróbki drewna. Właściwości zastosowanych osadów przed-stawiono w tabeli 2.1.
Paliwo poddano ocenie właściwości energetycznych i fizycznych, ze szczególnym uwzględnieniem zmian właściwości podczas procesu jego składowania.
Parametr Jednostka Osady ściekowe
Ciepło spalania kJ/kg 9 656
Wilgotność % 75,15
Części lotne % 53,59
Popiół % 36,47
Aby dokonać analizy wpływu sezonowania na jakość paliwa stworzono dwa odmienne jeżeli chodzi o warunki atmosferyczne stanowiska do jego składowania. Pierwsze z nich usytuowane zostało w pomieszczeniu zamkniętym, natomiast drugie zlokalizowano na terenie otwartym, ale zadaszonym, w celu jego ochrony przed deszczem. Paliwo przecho-wywano na betonowym podłożu w warstwach o grubości około 50 cm.
W celu określenia istotnych zmian zachodzących w paliwie na wskutek składowania bada-nia prowadzono przez okres 6-ciu miesięcy. Zdecydowano się rozpocząć badabada-nia w okresie zimowym, aby odnieść się do najbardziej niekorzystnych warunków atmosferycznych. Badania prowadzono od stycznia do czerwca.
W badaniach przyjęte zostały dwa interwały czasowe. W odstępie miesięcznym badana była wilgotność paliwa wg PN-93-Z-15008/2, natomiast co trzy miesiące oznaczano: ciepło spalania i wartość opałową (PN-81/G-04513), zawartość części lotnych (PN-81/G-04516) i popiołu (PN-80/G-04512) oraz wytrzymałość na zrzucanie (PN- G-04651).
3. Analiza właściwości paliwa PBT podczas jego składowania
Przeprowadzone obserwacje paliwa wykazały, że w pierwszym miesiącu składowania pa-liwo odznaczało się specyficznym zapachem charakterystycznym dla suszonych osadów ściekowych, który w kolejnych miesiącach był już niezauważalny. Paliwo miało brunatne zabarwienie i nie uległo ono zmianie. Nie zaobserwowano również pleśni oraz pylenia paliwa.
Wyznaczone właściwości energetyczne paliwa PBT przedstawiono w tabeli 3.1. Tabela 3.1. Właściwości energetyczne paliwa PBT.
Paliwo PBT Parametr Jednostka 1 m-c 3 m-c 6 m-c Ciepło spalania kJ/kg 14 609 14 347 14 957 Wartość opałowa (stan roboczy) kJ/kg 13 346 13 060 13 652 Części lotne % 58,47 58,45 58,80 Popiół % 19,27 19,37 19,20
Uzyskane wyniki wykazały, że nie odnotowano większych zmian ciepła spalania, stąd też nasuwa się wniosek, że jego składowanie nie wpływa ujemnie na właściwości energetycz-ne.
Kluczowym parametrem mającym wpływ na jakość paliwa jest jego wilgotność. Zwartość wilgoci w paliwie wpływa nie tylko na obniżenie wartości opałowej, ale również jest czyn-nikiem determinującym jego właściwości wytrzymałościowe. Zarejestrowana zmiana wil-gotności paliwa została przedstawiona na rys. 3.1. Analizując wykres 3.1. można zauważyć wyraźny skok wilgotności w drugim miesiącu składowania dla paliwa przechowywanego na terenie zadaszonym, co było spowodowane bardzo dużymi opadami i wysoką wilgotno-ścią powietrza w tym miesiącu.
W przypadku stanowiska zlokalizowanego w pomieszczeniu zamkniętym nie zauważa się znaczących wahań wilgotności paliwa, co wynika ze stałości otoczenia.
Przeprowadzone badania [6] wykazały, że paliwo PBT ma dobre właściwości wytrzymało-ściowe przy zawartości wilgoci 5 - 15%. Wilgotność, którą charakteryzuje się paliwo pod-czas składowania sugeruje na zachowanie parametrów jakościowych, co potwierdziły wy-znaczone wskaźniki wytrzymałości paliwa na zrzucanie przedstawione na rys. 3.2.
Wytrzymałość paliwa na zrzucanie nie uległa zmianie i utrzymywała się na tym samym, bardzo wysokim, poziomie.
Ze względu na stosunkowo łagodną zimę, nie było możliwości dokonać oceny wpływu ujemnych temperatur na jakość paliwa, dlatego postanowiono poddać paliwo testom na mrozoodporność. Paliwo mrożono przez okres 50 cykli. Za cykl przyjęto zamrażanie pali-wa do temperatury -18 oC i rozmrażanie do temperatury 18 oC. Po tym okresie oceniono wytrzymałość paliwa na zrzucanie. Wyniki zestawiono z wodoodpornością paliwa PBT wykonaną według procedury PN-G-04652 i zamieszczono na rys. 3.3.
Z przeprowadzonych badań można wyciągnąć wniosek, że woda ma destrukcyjny wpływ na wytrzymałość paliwa ponieważ po nasączeniu wodą jego wytrzymałość na zrzucanie znacznie spada. Test mrozoodporności wykazał natomiast, odporność paliwa na działanie ujemnych temperatur, gdyż wytrzymałość po tym teście spadła tylko o 7%.
Aby dokonać oceny zawartości zanieczyszczeń wymywanych z paliwa PBT narażonego na działanie opadów atmosferycznych, partię paliwa poddano również działaniu deszczu, a w zebranych odciekach oznaczono wartości podstawowych wskaźników zanieczyszczeń, stosując ogólne procedury do badania wód i ścieków.
0 5 10 15 20 25 30 1 2 3 4 5 6 miesiąc w il g o tn o ś ć % pomieszczenie zamknięte teren zadaszony
Rysunek 3.1. Zmiana zawartości wilgoci w paliwie PBT podczas jego składowania [5].
Rysunek 3.2. Wskaźnik wytrzymałości na zrzucanie paliwa PBT podczas jego sezonowania na terenie zadaszonym.
Rysunek 3.3. Wodoodporność i mrozoodporność paliwa PBT.
Wyniki oznaczenia wymywalności zanieczyszczeń z paliwa zostały porównane z dopusz-czalnymi wartościami stężeń wskaźników zanieczyszczeń jakimi powinny odpowiadać wody powierzchniowe wykorzystywane do zaopatrzenia ludności w wodę przeznaczoną do spożycia. (zgodnie z Rozporządzeniem MOŚZMiL z dn. 27 listopada 2002r. Dz. U. Nr 204 poz. 1728) i przedstawiono je w tabeli 3.2. i 3.3. W tabelach zamieszczono również zanie-czyszczenia oznaczone w opadzie atmosferycznym, jako tła badań., a dodatkowo w tabeli 3.3. umieszczono również zawartość metali ciężkich zawartych w paliwie PBT.
Porównując wyniki wymywalności zanieczyszczeń z badanego paliwa z dopuszczalnymi wartościami wskaźników jakości wody dla kategorii A1, można zauważyć, że wystąpiły przekroczenia dla chlorków, ortofosforanów oraz dla przewodności i metali ciężkich tj. żelaza, manganu i niklu. Wysoka zawartość żelaza i manganu w odcieku może wynikać z ich dużej ilości w paliwie. Dla pozostałych parametrów zanotowano znacznie niższe warto-ści niż dla stężeń wskaźników zanieczyszczeń dla tej kategorii wód.
Na podstawie analiz wymywalności składników szkodliwych można wysunąć wniosek, że pomimo przekroczenia dopuszczalnych stężeń tylko dla kilku parametrów, składowanie paliwa powinno odbywać się na terenie zabezpieczającym przenikanie szkodliwych skład-ników do gleby.
Tabela 3.2. Wyniki analiz zanieczyszczeń w odcieku z paliwa PBT i w opadzie atmosfe-rycznym. Oznaczenie Jednostka Opad A atmosfe-ryczny Odciek z paliwa PBT Dopuszczalne wartości wskaźników jakości wody dla kategorii A1
pH - 5,59 7,35 5,5-8,5
Przewodność µS/cm 70,50 1009 1000
Siarczany mgSO4/dm3 4,73 180,28 250
Chlorki mgCl-/dm3 105,83 1181,70 250 Orofosforany mg PO4/dm3 1,74 27,55 0,4
Tabela 3.3 Zawartość metali ciężkich w paliwie PBT, w odcieku z paliwa i w opadzie at-mosferycznym. Paliwo PBT Opad atmosferyczny Odciek z paliwa PBT Dopuszczalne wartości wskaźników jakości wody dla kategorii A1 Oznaczenie mg/dm3 Zn 881,1 0,059 0,037 3,0 Fe 4 305 <0,01 0,380 0,30 Mn 319,3 0,005 0,074 0,05 Cu 71,77 0,0029 0,036 0,05 Pb 24,93 0,00011 0,0023 0,05 Ni 15,92 0,00049 0,134 0,05 As b.d. 0,0011 0,014 0,05 V b.d. 0,00021 0,0013 1,00 Hg 0,859 0,00005 0,00057 0,0005 Cd 1,690 0,00024 0,00083 0,005 Cr 93,68 0,00036 0,032 0,05
4. Posumowanie
Na podstawie uzyskanych wyników, jak również obserwacji dokonanych w trakcie badań sformułowano następujące wnioski:
Możliwe jest czasowe magazynowanie paliwa PBT przed jego energetycznym wykorzysta-niem.
Nie zanotowano istotnych zmian we właściwościach energetycznych paliwa podczas jego sezonowania.
Paliwo przez cały okres składowania zachowało dobre właściwości wytrzymałościowe. Wytrzymałość paliwa uzależniona jest od jego wilgotności, a badania wykazały jej
destruk-cyjny wpływ na paliwo.
Porównując składowanie paliwa w dwóch różnych warunkach środowiskowych można stwierdzić, że uzasadnione jest jego przechowywane na terenie otwartym, ale zadaszo-nym.
Zastosowanie zabezpieczenia przed negatywnym wpływem opadów atmosferycznych po-zwala na zachowanie jego właściwości energetycznych i wytrzymałościowych. Pracę wykonano w ramach projektu nr 0464/R/2/T02/06/01 finansowanego przez Minis-terstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego.
Literatura
[1] Wandrasz J.W., Wandrasz A.J.: Paliwa formowane i biopaliwa z odpadów w procesach termicznych. Wyd. Seidel-Przywiecki. Warszawa 2006.
[2] Hejft R.: Ciśnieniowa aglomeracja materiałów roślinnych, Wyd. ITE, Białystok 2002. [3] Loo W.: Alternative fuels: the valorization of waste in cement industry,
CEMBU-REAU, 2004.
[4] Wzorek M., Troniewski L., Duda J.: Sposób i urządzenie do wytwarzania paliwa z osadów ściekowych, zgłoszenie patentowe nr P 363 587.
[5] Radochoński M., Zajączkowski S.: Wpływ składowania paliw z osadów ściekowych na ich właściwości. Praca magisterska, Politechnika Opolska 2007.
[6] Wzorek M.: Assessment of possibilities of mutual energy use of sewage sludge and biomass, Polish Journal of Environmental Study, Vol. 16, No 2A, 2007, 616-620.
