Z E S Z YT Y NAUKOWE POLIT E CH NI KI Ś L Ą SK IE J Seria: E N E R G E T Y K A ,z. 68
1978 Nr kol. 564
J an us z W A N D R A S Z
Instytut T e c hn ik i Cieplnej
N E U T R A L I Z A C J A O D P A D Ó W PO P RO D U K C Y J N Y C H P R Z E Z S PALANIE W W A R S T W I E F L U ID AL NE J
St r e s z c z e n l e . W pr a cy przedstawiono, w opar ci u o literaturę, po- dział o d p a d ó w pr ze my s ło wy ch oraz m e t o d y ich s pa l an i a , z e s z cz eg ól n ym u w z g l ę d n i e n i e m sp al an i a w w a r s t wi e fluidalnej. A n a l i z u j ą c spa la n ie w w a r s t w i e w y p r o w a d z o n o podsta wo w e za l eż n o ś c i uj mu ją c e czas spal a - nia o d p a d ó w i ich w ł a s n oś ci e n er ge ty c zn e na te m peraturę w a r s t w y . K o ń cowa część p r a c y zawie ra z a p r o j e k t o w a n ą i wyk on an ą w ITC p r o t o t y p o wą in s ta la cj ę do spa l an ia o d p a d ó w ciekłych w w a r s t w i e fluidalnej.
1. P o d z i a ł i rodzaje o d pa dó w
I nt en s y w n y rozwój przemysłu, poza w zr os t e m pr odukcji głównej, p r z y c z y nia się do w z r o s t u w y t w a r z a n i a pro du kt u ubocznego, nie ro z er wa ln i e z w i ą z a nego z pr od u k t e m głównym. Znacz na część p r o d u kt ów ub o cznych z a s t ęp uj e p r o dukt g ł ów ny w y t w a r z a n y w innych ga ł ęziach p r od ukcji (np. para wodna w y t w a rzana w pr oc es i e chłodz e ni a w y p a r k o w e g o z as tę p o w a ć może parę z e l e k t r o c ie pł o wn i) lub w y k o r z y s t y w a n a jest do celów en er g et yc zn y ch czy t e c h n o l o gicznych. Po zo s t a j ą c a reszta z uwagi na n ieprzydatność, 8 także na cechy fizykochemiczne, nie z n a j d u j e zastosowania, będąc za li cz an a do o d pa dó w po
p ro dukcyjnych. O d p a d y te zgodn i e z [5] mogą być z a kw al i f i k o w a n e do jednej z grup rodzajowych, jak: mineralne, metaliczne, n i e m et a li cz ne lub inne, do których zali cz a się m.in. odpad y p r o d uk cy jn e z p r zemysłu c h em ic zn e go i maszynowego.
W każdej z p r z e d s t aw io ny c h grup rodzajowych wyr ó żn ić można o d p a d y n i e s z k o dl iw e (częściowo szkodl i we ) i s z k o d li we [5j. Ost at n ia z wy m ie n i o n y c h d o t y c z y g ł ó w ni e pr z em ys łu chem i cz ne go lub p rz e my s ł ó w przetwórczych, o p a r tych na t e c h n ol o gi ac h chemicznych. Ro z ez n a n i e w ilościach i wł as n o ś c i a c h o d p ad ó w nie jest w chwili obecnej pełne i w y m a g a dalszych badań i o p r a c o wań. Nie jest w y s t a r c z a j ą c y m s t wi er d z a n i e m przyd at n oś ć d a nego o dp a du do spalania, ale k o n i ec zn e jest poz n an ie całego zes p oł u jego cech fi z yk o c h e micz ny c h kl as y f i k u j ą c y c h go do s palenia lub o d g a zo wa ni a czy z g a z o w a n i a . P o dział taki po winien uwzględ ni ć w ł a s no śc i odpadu przed s pa le n i e m i w ł a s n o ści p r o d u kt ów spalania. Część odpad ów szkodliwych, kl as yf ik o wa na do grupy niepal ny ch w w y ż s z yc h temperaturach, traci w ł a s n oś c i szkodliwe. Z n an e są również za st o s o w a n i a niektó ry c h z w i ąz kó w chemi cz ny c h w p ro cesach wią z an ia
l &ż 0. W a n d r s s z
innych (np. S O g ) i uwalni an i a w ten sposób gazowych p ro duktów spalanie od su b st a n c j i s z k od li w yc h dla otoczenia. Przy w y k o rz ys t an iu odpad ów należy brać pod uwagę mo żl iwość ich pełnego z a s t o s o w a n i a , jako w tórnego źródła s u r o w c ó w lub energii, z r ów no czesnym uwzglę dn ie n ie m możliwości odzysku m o tali czy p ie rw i a s t k ó w s z la ch et n yc h w tych gałęziabh przemysłu, w których p ie rw i as tk i te w y s t ę p u j ę i'np, przemysł elektroniczny). Tek przeprowadzona klas y fi ka cj a pozwoli łęczyc w odpow ie dn ie g rupy odpa dy różnych zakładów z p r z e z n a c z e n i e m do o dg az ow a ni a lub spalania.
W y b ó r ko n ce pc ji rejonizacji spalarni w i n ie n z awierać oprócz a n a li zy eko
nomicznej (rachunek ef ek tywności inwestycji) pełnę analizę wy korzystanis Ciepła o dp ad o w e g o i p r o d u kt ó w spalania (lub odgazowania) w O D a r c i u o z a gadnienia t e r m o e ko n om ic zn e o c h r o n y środowiska [2].
P om im o dużeg o rozeznania w u rz ą dzeniach sł u żę cy ch do spalania odpadów [5j szere g z nich na stręcza trudności eksploatacyjne, a często brak jost rozwięzań i o p ra cowań krajowych.
2. M e t o d y sp al an i a odpad ó w
Z a g a d n i e n i e spa l an ia odpadów, m e t o d y i rodzaje spalań om ówiono s z c ze g ółowo w pr ac y fsJ.Na uwagę z a sługuje metoda fluidyzacji. stosowana coraz częściej w sze r eg u pr ocesach przemysłowych,, a także do termicznego u n i e s z k o dl iw i an ia ciekłych odpadow. Zasada działania takiego pieca oparta jest na z aw ie s z e n i u w a r s t w y rozgrzanego drobnego ma t eriału w strumi en i u p o w i e trza. O d p o w i e d n i o dobrane prędkości p rz e pływu gazu w stosunku do mate ri a
łu r o z d r ob ni on e go p owoduję cięgłe ruchy częstek w wars tw ie f l u i d a l n e j .Roz-
.9
pylone odpad y ciekłe, okl e ja ję c ro zg rzany m ateriał w a r s t w y ,ulegaję n a t y c h m ia st o w e m u wysusz en iu , odgazo wa ni u i spopieleniu, przez co zmienia się cię
żar c z ęs te c zk i p o w c du ję c po okresie jej opadania ponowne u niesienie st ru mien ie m g azów do miejsca kolejnego kontaktu z kroplę ciekłego odpadu.Część kropel pod d zi a ła ni em goręcych spalin ulega gw a łtownemu o d parowaniu i s p a leniu, poz o st aw ia j ęc częstkę wy d zi e l o n e g o popiołu.
Proces taki przebiega bardzo sprawnie w temperaturach niższych od t em
p er at u r y topnienia popiołu odpadu, p o wo dujęcego po jej p r zekroczeniu s k l e janie czę3tek warstwy.
P iece fluidyzacyjne, w porównaniu z innymi piecami stoso wa ny mi do sp a
lania odpadów, odznac za ję się prostę budowę, przy czym pozwalaję uzyskać ca ł kowite w y p a l e n i e sk ła dn i kó w palnych zarówno w gazach, jak 1 w popiele.
Wadę ich jest u no szenie przez gazy odlotowe dużych ilości pyłu (koniecz
ność stoso wa ni a ba rdzo sp ra wn yc h urzędzeń odpylajęcych i w ł a ś c i w y dobór szer eg u istotnych p a r a m e t r ó w gwarant u jęcych wła śc iw ę pracę pieca (średni
ca z iarn wypełnieni«, ciśnienie, temperatura i t p . ;.
Na rys. i p r ze ds t a w i o n o francuskg instalację do spalania odpadów o róż
nej z aw ar t o ś c i w i l go ci [t] z zas to s ow an ie m pieca fluidalnego S.A.Heurtey-
Ahistr&*m. Wart o ść opałowy odp ad ow w zależności od zawart o śc i popiołu, o d niesiony fl>-' i kg substancji sucnej oraz z a po t rz eb ow a ni e energii do s pa l a
nia i kg rej s u bs ta nc j i przedsta wi on o na rys. 2 i 3.
Rys. 2. Schemat instalacji do spalania skich
nie j-
Rys. 2. Wart oś ć opałowa odpadów Rys. 3. Z a p o t r z eb o wa ni e energii pa
liw d od atkowych do spalania odpadów
M
w w a r st wi e fluidalnej odpadów
W . . .
Udział substancji suchej.
3. Spa la ni e odpa dó w w war st wi e fluidalnej
S palaniu w w a r s t w i e fluidalnej mogę byc poddawane zarówno ciekłe, p ó ł płynne jak i stałe substancje, po u względnieniu odpowiedniej technologii ich przygotowania. W p r o w a d z e n i e tych substa nc j i do w a r s t w y utworzonej z częstek ciała s t ał eg o p owoduje wzrost jej temperat ur y. Il o ść ciepła p o c h ł o nięta przez masę stałę w chwili d*t w y nika z bilansu energii warst wy
164 O. andrasz
{ ; g [MWd ♦
A(Mi)J
+ ¿ o d p [wd ♦ A ( l ) o d p ] + n a [A (Mi)a ♦ł X a A 'M i ) H2 o] “ m m cpm d ‘m + [ ;s p (MS)(t8 P ‘ ‘ o t 5 ł Ó ot] <«• (1)
gdzie :
n g ‘ na' nsp ” n a tę żenie strumi en i a gazu, powietrza i spalin, k m o l / s , A ( M i ) g , A ( i } o d p , A ( M i ) a , A ( M i ) H Q - na dwyżka en talpii g a z u ,o d p a d ó w .po
w i e t rz a i pary S o dnej ponad otoczeniem, k3/kmol. kD/kg, MW V»d - wart oś ć opałowa gazu, kO/kmol i odpa dó w kCJ/kg,
(MS) - pojemność cieplna spalin, kJ/kmol K, m m - masa częstek ciała stał eg o w warstwie, kg,
c - pojemność cieplna wypełnienia, kO/kg K,
‘m ’ ‘s p ’ ‘ot “ t e m Peratura m 8 8y wypełnienia, spal i n i otoczenia. °C, Q t - s t r a t y ciepła do otoczenia, kw.
Lewa część równania (1) w yr a ża energię dopr ow a dz on ę z gazem po dt rz y mu jącym proces s palania (podgrzanie do t e m pe ra tu r y zapłonu, od p arowanie w i l goci itp.), energię odpadów i powietrza. E n er g ia ta idzie częściowo na p o d n ie si en i e ener gi i w a r s t w y oraz odpływa ze sp al in am i i do otoczenia.Sto- sujęc p r z e k sz ta łc e ni e polega ją c e na zastęp i en iu energii doprowadzonej ilo
czynem pojemn oś c i cieplnej s p alin odniesionej do ilości spalanych odpadów i różnicy t em p er at ur y ka lorymetrycznej [3] i ot oczenia wg zależności
" g K + * (Mi5g] ł G odp[W d + A (i)odp] + " a [ * (Mi)a ł Xa ^ M i 5 H_ o ] =
= G odp S ( ‘kal “ ‘o t 5
U w z g lę dn i aj ąc ponadto p ro p or cj on a ln oś ć s t ra ty ciepła do otoczenia do energii d oprowadzonej
\ Óot " 8 G o dp S ( *kal - * o t 5 <35
i odnoszęc ilość sp alin i ich pojemność do ilości spalanych odpadów,otrz-, - mamy po przek sz ta ł ce ni u
G . S IT t * - r ' - 3 ' t. , - t J dt = m
odp L kal sp kal ot 'J m r, p* cj : , m
N eu tr alizacja o d p ad ów poprodukcyjnych. 155
W równaniu (4) zgo dn ie z [l] można uwzględ ni ć w yr ó wn an ie tempe r at ur y m ię d zy fazę stałę i gazowę na w y p ły wi e z w a r s t w y
S p = l. (5)
a po uwz gl ęd n ie ni u w a r u n k ó w b rzegowych dla t = 0, tm = tm i po scałkowa- niu, o t r z ym am y
0 - a
= exp("od£ ° %
S^ (6)
0
- a p r m m c pmgdzie 0 = (tkal - - ro t ) ” w y r aż a wz g lę dn ę energię przekazanę do w a r s t w y w stos un ku do całej energii doprowa dz on ej w danej chwili X .Dla komo ry ad ia b at yc zn e j (a = O) równanie sp ro w ad za się do postaci
t, i - t G . St
kal - m— = exp(- ^ SŚ 2 ). (7)
t. , - t — ^ m c
kal m p m pm
Równ a ni e (5) dla z n an eg o czasu reakcji chemicznej spalania odpadu i o- gran ic z en ia w z r os tu t em pe r a t u r y w a r s t w y s po wo d o w a n e g o temperaturę m i ę k n i ę cia żużla i wy pe łnienia, pozwala w y z n ac zy ć sto su ne k strum ie ni a masy o d p a du do m a s y wy p ełnienia. Po uwzględn i en iu d od at ko w o z al e żn oś ci ujmujęcych w ł a s n o ś c i w a r s t w y fluidalnej, do równania (6) można wp ro w a d z i ć porowatość złoża (fcm )< przekrój apar at u (F) i wyso ko ść złoża (t-m ) według zależn oś c i
m = F L (1 - £ ) O . (8)
m m m o m
W i e l k o ś c i w y s t ę p u j ę c e z prawej i lewej s t ro ny równania (6) sę funkcjami s z e r eg u w ł a s n o ś c i sp alanych odpa d ów oraz or ganizacji procesu s p a lania (stosunek na dmiaru powietrza X , temp er at ur a podgrzania powietrza, rodzaj i ilość uż yw an eg o paliwa dodatkowego).
4. Opis instal a cj i do spal an i a odpa dó w ciekłych
W y k o r z y s t u j ę c d ostępne w l i te r at ur ze i n f or ma cj e oraz po p r ze pr o w a d z e niu szer eg u badań w ł as n y c h [5] w ITC P o l i t e c h n i k i Ślęskiej oprac ow an o i uruc ho m io no insta la cj ę do s palania i n eu t ra l i z a c j i odp a dó w ciekłych w y t w a rzanych w jednym z z a k ł ad ów przemysłowych. A n a li z a e le mentarna odpadów w y kazała udzi ał y gramowe składników: c = 4 8 , 8 -5 9 , h = 4,0-5,5, o = 0,1-8,3, n = 0,2-0,3, s = 0,1-0,2, cl = 0,7- 8 ,1 (chlor), w = 4 , 3 - 2 7 , 0 , p = 0 ,42-3,0i%.
166 O. Wandrasz
W a r t oś ć opałowa tych odpadów wahała się w granicach 19 600422 700 kO/kg, przy k o ro zyjności 0,32-f3,12 m g / c m 3/ 2 4 h.
Schemat i nstalacji dla spalania 30 kg odpadów/h p rzedstawiono na ry
sunku 4.
Uz yskane prod u kt y spalania "C" z pieca fluidalnego 1 (rys. 5) z a s i la n e
go gazem kok so w ni cz ym lub ziemnym o dp r owadzane sę do rekuperatora p ow ie trznego 2 p o dg rz ewajęcego powietrze dosta rc zo n e w e n ty la to r em 12. Rek up e ra tor ten składa się z dwu części, z których jedna stanowi chłodzenie górnej części komory, druga umieszczona jest w cięgu k o nw ekcyjnym spalin nad pie
cem. S chłodzone do <-* 700°C s p a li ny przez odpylnik s t a t y cz ny 3 płynę do kolejnego rekuperatora spalin 4, gdzie schładzaję się do t e m p e r a t u r y 3 2 0 ° C p od gr zewajęc s p a li ny z płuczki 5 do temper at ur y powyżej punktu rosy. W u- k ładzie zast o so wa no kolumnę absor pc y jn ę (płuczkę) z w y k o r z ys ta ni e m fluidy- zacji t r ó j c z y n n i k o w e j . O c z ys zc z on e s p a l i n y z płuczki odsysa we n ty la to r 13, odprowa d za ję c je przez układ rekuperators do komina 18. W yp łukane pyły o- raz subst an cj e gazowe o dprowadza się wraz z wodę do zbiornika 8 stęd pom
pę 15 podaje się do zbiornika neutral i za cj i 9. Z n e u t r al iz ow a ny roztwór "g"
odpływa poza instalację do d alszego oczyszczania. Z biornik 8 posiada aut o
m at ycznie s t e r o wa n y układ chłodzenia. W o d a przemysłowa "e" używana jest również do chłodzenia dyszy wtrysko we j odpadów płynnych 17 oraz stanowi u- zupe łn i en ie w o d y obiegowej instalacji.
Z uwagi na nie j ed no ro d ny skład odpa d ów "d” , w układzie zastosowano dwa z bi orniki 6 u mi eszczone jeden nad drugim. O d p a d y t ra nsportowane sę czę
ś ci o wo przez rozdrabniacz 7 do instalacji s palania a w znacznej większości odpływaję do zb io rnika górnego, skęd opadaję przez przelew do zbiornika 6.
__A!10
M e u t r áli¿ac.la uripacrjw p o p r o d u k c y j n y c h . •57
Rys. 5. Komora pieca
0€S
168 0. W a n d ra s z
W y k o n a n ą i nstalację przed z a i n s ta lo wa n ie m w z a kł adzie p rz e mysłowym pod
dano bad an io m e ks ploatacyjnym, pole g aj ęc ym na określ en iu s ta b il no śc i s p a lania w komorze fluidalnej - dobór temperatur w a r s t w y gwaran tu ją c yc h sta- bilnę pracę w a r s t w y (nie p rz ek ra c za ni e t e mp er a tu ry topnienia żużla) u st alenie c z yn ni kó w n e u t r a l iz u ję cy ch w uk ładzie neutralizacji. Zużycie ga
zu d o d at ko we g o do og rz e wa ni a w a r s t w y zale żn e było od okresu pracy pieca i tak w okre si e rozruc h ow ym w a h a ł o się w granicach 9-12 m^/h, aby po osią- gnięciu u s ta bi li z ow an ej pracy pieca (uzyskanie w ła ś ci wy ch t emperatur p o d grzania p ow i etrza [7] ) spaść do wart oś c i zerowych lub bliskich zeru. K o mora pieca pok az a na na rys. 5 stanowi pierwszę wersję pieca i w pracy eks
p lo at acyjnej w yp os a ż o n a zost ał a w układ regulacji te mp e r a t u r y z automatycz
nym z a w o re m gazo w ym szybko o dc in aj ą cy m własnej k o nstrukcji dzia ła j ąc ym w p rz yp ad k u z aniku płomienia.
L I T E R A T U R A
[lj Kunii D., L e v e n s p i e l 0.: Flui di z at io n engineering. New York, London, Sydney, T o r o n t o 1969, T łu m a c z e n i e na rosyjski Wyd. Che m ia .M os k wa 1976.
[2] Szargut 0.: Za g ad n i e n i a term o ek on om i cz ne o c hr on y środowiska, Arc hi wu m E ne rg e t y k i Nr 1/2, 1973.
[3] Szargut 3. : E n e r g e t y k a cieplna w hutnictwie. Wyd. śląsk, K atowice 1971.
[4] Tamalet M.: I n ci ne r a t i o n des boues urbaines en lif fluidiae. R e v . Gen.
Therm. Fr. nr 150-151 3u in - 3uillet 1974.
[5] Z i e l i ń s k i 3., P rz yw a r s k a R . : O c z y s z c z a n i e miast i unieszkod li w ia ni e o d p ad ó w cz. I, II, III, Skr. Uczeln. Pol. śl. nr 688, 688a, 727, G l i wi c e 1977.
[6] S p r a w o z d a n i e z realizacji pracy NB-594/RME-3/73. M aszynopis d o stępny
w
ITC. Pol.Sl.
[7] S p r a w o z d a n i e z r ealizacji pracy N B - 5 1 5 /R ME -3 / 75 cz. I i II.
H£iiTPAJW3Al(HH nP0MHIIUI3HHHX 0TX 0Ä 03 CrOPAHHEM B nCEBUOOSOEKEHHOM CJIOE
P e 3 k> u e
Ha o c H O B e a H a H K 3 a jiHTepaiypti no ¿¡aimoił Te M e b p a ö o T e h p h b o ä h t c h KJiaccn- (jjHKamtÄ npOMHÜUieHHHX O T Ö p O C O B ¡1 M e T O Ä H H X O r O p a H H H C y q e T O M OCOÖeHHOOTefi c r o p a H H H b n c e BÄOOacHxeHHOM cjioe. nojiyneHU aHajiHTHnecKHe y p a B H e H H H , c b h 3 h b & x > — ąne x e M n e p a i y p y ojioh c B p e M e H e M c r o p a H H H h O B O ß c T B a M H 3HepreiH>iecKHX o i ó p o - c o b . B 3aiuiD<iHTeJiBH0ii q a c T H p a ö O T H o n H C H B a e i c H sKcnępHMeHTajibHaa y c T a H O B K ä , c o s ^ a H H a H b C H z e 3 0 K 0 M n o H H T e x H H n e c K o u H H O T H i y i e , K O T o p a n npenHa3Ha>ieHa xjik
c x H r a H H H npoMbmuieHHHx jkhukhx O T ö p o c O B b n c e B A O o x H x e H H O U cxoe.
Ne utralizacja o d p ad ó w poprodukcyjnych. 169
COMBUSTION OF W A S T E PR ODUCTS IN F L UI DISED BED
S u m m a r y
The paper reviews wa st e products species and methods of their c o m b u stion, p a r t i c u l a r l y in a fluid bed. Fund a me nt al d e p en de nc i es between the fluidised bed t e mp er a tu re and combus ti on time of w as te p roducts and their e ne rgetic p roperties are derived.
A pr ot ot y pe i n s t al l at io n for the c om bu st i on of liquid w as te products in a fl ui dised bed designed and m a n uf ac t ur ed in ITC is also shown.