and Environmental Protection
http://ago.helion.pl ISSN 1733-4381, Vol. 1 (2005), p-95-106
Identyfikacja stref spalania w warstwie materiału odpad•w
na ruszcie paleniska kotłowego
Jaworski T.
Katedra Technologii i Urządzeń Zagospodarowania Odpad‚w, Politechnika Śląska ul. Konarskiego 18, 44-100 Gliwice
e-mail: jaworski@waste.ise.polsl.gliwice.pl
Streszczenie
W pracy przedstawiono szeroką analizę zmian własności fizyko-chemicznych zachodzących w materiale warstwy odpad„w stałych spalanych na ruszcie ruchomym urządzenia do termicznego przekształcania odpad„w, należ a do nich min.: rozkład temperatur fazy stałej i gazowej, porowatość i gęstość materiału warstwy, ubytek węgla, zmiana geometrii itd.. Dane do analizy zaczerpnięto z badań eksperymentalnych przeprowadzonych w piecu elektrycznym w warunkach zbliżonych do rzeczywistych, a także z obliczeń modelowych. Zidentyfikowano lokalizację i własności stref w warstwie spalanych odpad„w na ruszcie gł„wnie z uwagi na dostępność do nich tlenu i poziomu temperatury.
Abstract
Localization of various air excess zone in the layer of waste on the boiler grate
The paper presents the analysis of physical and chemical parameters of the solid waste on the mechanical grate of the installation for its thermal utilisation. The analysis is based on the data obtained from the experiments made in the electrical heated chamber similar to the real combustion chamber. The analysed parameters are: time an temperature of the combustion process, intensity of combustion process, combustion air rate, geometry of the combustion chamber and others.
Following parameters of the waste layer were analysed as functions of time of the process: porosity of the layer, bulk density of the layer, apparent density of the layer, height of the layer, concentration of the elementary C in the layer. The experiments were carried out for several temperatures between 600 and 900 0C.
1. Wstęp
W pracy przedstawiono szeroką analizę zmian własności fizyko-chemicznych zachodzących w materiale warstwy odpad„w stałych spalanych na ruszcie ruchomym urządzenia do termicznego przekształcania odpad„w, należ a do nich min.: rozkład temperatur fazy stałej i gazowej, porowatość i gęstość materiału warstwy, ubytek węgla, zmiana geometrii itd.. Dane do analizy zaczerpnięto z badań eksperymentalnych przeprowadzonych w piecu elektrycznym w warunkach zbliżonych do rzeczywistych, a także z obliczeń modelowych [1][5]. Zidentyfikowano lokalizację i własności stref w warstwie spalanych odpad„w na ruszcie gł„wnie z uwagi na dostępność do nich tlenu i poziomu temperatury.
2. Opis badań eksperymentalnych dotyczących zmian parametrƒw w spalanej warstwie odpadƒw na ruszcie ruchomym.
Proces spalania, pozornie prosty w organizacji, jest w istocie bardzo złożony, a jego organizacja podlega wciąż zmianom mającym na uwadze osiągnięcie jak najlepszych efekt„w ekologicznych, energetycznych oraz ekonomicznych. Na proces spalania odpad„w składa się kilka faz: nagrzewanie i suszenie, odgazowanie, zgazowanie oraz spalanie. Proces spalania odpad„w na ruszcie ruchomym charakteryzują dwie wielkości: temperatura warstwy oraz strumień paliwa (grubość warstwy paliwa) wzdłuż długości rusztu. Przebieg temperatury materiału warstwy jest początkowo podobny do procesu zapłonu-stosunkowo łagodny wzrost w początkowym okresie, a następnie szybki wzrost temperatury po osiągnięciu warunk„w zapłonu. Temperatura warstwy osiąga pewne maksimum, określone przez warunki generacji ciepła (ilość powietrza, rozmiar ziaren) i warunki wymiany ciepła z komorą spalania. Ta wysoka temperatura utrzymuje się praktycznie do końca procesu spalania. W następnym etapie, kt„rym jest chłodzenie popiołu, temperatura warstwy spada.[7] Inną zależność można zaobserwować w odniesieniu do strumienia materiału warstwy przesuwającej się wzdłuż rusztu: początkowo ubytek masy spowodowany jest jedynie suszeniem, a w następnym etapie-odgazowaniem materiału. W strefie spalania karbonizatu zmniejszenie strumienia materiału jest rezultatem wypalania gł„wnie pierwiastka węgla.
Spalanie paliwa czy też odpad„w na ruszcie ruchomym (przesuwnym) jest znacznie trudniejsze do matematycznego opisu od spalania na ruszcie nieruchomym ze względu na dodatkową zmienną jaką jest czas, r„wnoznaczny z położeniem paliwa w komorze spalania. Zmienna czasowa zmusza do uwzględnienia kinetyki zachodzących w warstwie proces„w takich jak: suszenie, piroliza i spalanie, w końcu pozostają jedynie części mineralne tworzące popi„ł. [3] [8]
Badania eksperymentalne przeprowadzono na specjalnie przygotowanym stanowisku badawczym- piecu elektrycznym ze specjalnie zaprojektowanym rusztem dającym możliwość wielowariantowych pomiar„w parametr„w wewnątrz warstwy spalanych odpad„w. Dla zadanej temperatury procesu (komory spalania) mierzono zmianę temperatury oraz składu fazy stałej i gazowej w czasie. Badania przeprowadzono w celu
wyznaczenia charakterystyk następujących parametr„w w funkcji czasu procesu spalania dla całego przekroju warstwy:
- rozkład temperatury fazy stałej, - rozkład temperatury fazy gazowej,
- rozkład udziału pierwiastka węgla paliwowego i jego ubytku, - rozkład udziału pierwiastka wodoru paliwowego i jego ubytku, - skład ilościowy i jakościowy fazy gazowej (CO, CO2, NO, SO2),
- zmiana wysokości warstwy, spowodowana ubytkiem spalonego materiału odpad„w, - gęstość nasypowa warstwy,
- gęstość pozorna warstwy, - porowatość warstwy.
3. Stanowisko do badań eksperymentalnych i podstawowe parametry procesu
Schemat stanowiska pomiarowego przedstawia rys 3.1., natomiast piec w kt„rym realizowane były pomiary spalania w warstwie pokazano na rys.3.3. (zdjęcie)
Rys.3.2. Ruszt roboczy z oprzyrządowaniem pomiarowym.
Rys.3.3. Piec do spalania warstwy odpad„w stałych na ruszcie z widocznym rusztem służącym do nagrzewania komory do właściwej temperatury procesu.
Rys.3.2. przedstawia zdjęcie rusztu tzw. roboczego z widocznym oprzyrządowaniem dla pomiaru temperatur i składu gaz„w w warstwie.
Badania przeprowadzono dla temperatury procesu 900oC, przy wsp„łczynniku nadmiaru powietrza λ =1,65. Ruszt pieca symulował ruchomy ruszt taśmowy płaski, bez uwzględnienia mieszania wzdłużnego i poprzecznego. Każdy mierzony parametr wyznaczano każdorazowo dla trzech pr„b. Rezultat końcowy określano jako średnią tych pr„b. Całkowita wysokość warstwy: 300 mm.
4. Przebieg badań i rezultaty.
Skład morfologiczny odpad„w komunalnych wraz ze wskaźnikami ich generowania na jednego mieszkańca w 2000 roku, w przypadku wojew„dztwa śląskiego określono w pracy [ 5 ].
W segregacji wstępnej zostały wyselekcjonowane: metale, opakowania z blachy i aluminium. Nie ma też w tych odpadach drobnej frakcji popiołowej, ponieważ odpady te pochodzą z osiedli o zabudowie nowoczesnej. Wyselekcjonowane zostały r„wnież odpady budowlane, niebezpieczne oraz odpady wielkogabarytowe metalowe. Ustalono ilość odpad„w wyselekcjonowanych z całości zebranych odpad„w komunalnych w wojew„dztwie śląskim. Założono, że reszta odpad„w ulega termicznemu unieszkodliwieniu. W odniesieniu do posiadanych danych określono następujący skład i ilość odpad„w poddanych spaleniu – odpady resztkowe –tabela 4.1.
Ze względu na ograniczoną pojemność pracy rezultaty pomiar…w przedstawiono tylko dla reprezentatywnych zmiennych parametr…w spalanej warstwy odpad…w. Są to rysunki – wykresy od 4 do 10. Pozostałe wielkości są zawarte w pracy [1] i [5].
Tabela 4.1: Skład wysegregowanej części odpad„w komunalnych przeznaczonych do spalania
Rodzaj odpadu Udział masowy w odniesieniu do og„lnej masy odpad„w [%]
Papier i tektura 20,84
Tekstylia 5,18
Odpady spożywcze pochodzenia
roślinnego 18,66
Odpady spożywcze pochodzenia
zwierzęcego 18,66
Tworzywa sztuczne 19,95
Drewno 8,96
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0 210 420 630 900 Czas procesu [s] U d z ia ł w ę g la w w a rs tw ie [ k g c /k g ]
Rys.4.1 Wykres ubytku węgla w całym przekroju spalanej warstwy odpad„w komunalnych resztkowych w funkcji czasu dla temperatury procesu 900 ‹C.
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0 210 420 630 900 Czas procesu [s] U d z ia ł w o d o ru w w a rs tw ie [ k g h /k g ]
Rys.4.2 Wykres zmiany zawartości wodoru w całym przekroju spalanej warstwy odpad„w komunalnych resztkowych w funkcji czasu dla temperatury procesu 900‹C.
0 10 20 30 40 50 60 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 Czas procesu [s] K o n c e n tr a c ja C O [ p p m ]
Rys.4 3. Zmiana koncentracji CO w funkcji czasu procesu.
0 200 400 600 800 1000 1200 0 90 180 270 360 450 540 630 720 810 900 Czas procesu [s] T e m p e ra tu ra [ C ] ts [250mm] ts [150mm] ts [50mm]
Rys. 4.4. Rozkład temperatury fazy stałej w spalanej warstwie odpad„w w funkcji czasu procesu spalania dla temperatury 900 ‹C i dla trzech pkt. Wysokości w warstwie: 50,150, 250mm. Całkowita wysokość warstwy: 300mm.
0 50 100 150 200 250 300 350 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Temperatura średnia w warstwie [ C]
W y s o k o ś ć w a rs tw y [m m ]
Rys. 4.5. Zmiana wysokości warstwy spalanych odpad„w resztkowych komunalnych w całym przekroju warstwy w funkcji czasu procesu spalania oraz w funkcji temperatury średniej w warstwie, dla temperatury procesu 900‹C. Kolejne punkty na krzywej odnoszą się do czasu procesu: 0, 210, 420, 630 i 900sekund.
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0 200 400 600 800 1000
Tem peratura średnia w w arstw ie [ C]
P o ro w a to ś ć w a rs tw y [ m 3 /m 3 ]
Rys.4.6 Zmiana porowatości w całym przekroju warstwy spalanego materiału w funkcji czasu procesu spalania oraz w funkcji temperatury średniej w warstwie dla temperatury procesu 900‹C. Kolejne punkty na krzywej odnoszą się do czasu procesu: 0, 210, 420, 630 i 900sekund.
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Temperatura średnia w warstwie [ C]
M a s a p r„ b k i o d p a d „ w [ k g ]
Rys.4.7. Ubytek masy pr„bki odpad„w komunalnych resztkowych w funkcji czasu procesu spalania oraz w funkcji temperatury średniej w warstwie dla temperatury procesu 900ˆC. Kolejne punkty na krzywej odnoszą się do czasu procesu: 0, 210, 420, 630 i 900sekund. Rys.4.8 przedstawia bardzo cenne z punktu widzenia optymalizacji procesu spalania informacje dotyczące lokalizacji stref spalania wewnątrz warstwy . Strefy zidentyfikowano na bazie pomiaru składu gaz„w spalinowych wewnątrz warstwy i obliczenia na ich podstawie wsp„łczynnika nadmiaru powietrza – tzw.lambda.[6] Nałożona na rysunek jw. charakterystyka zmian wysokości warstwy w funkcji czasu procesu daje podstawy do pełniejszej analizy opisu (bądź ich korekty) proces„w fizyko-chemicznych zachodzących wewnątrz spalanej na ruszcie warstwy odpad„w, a także może być wykorzystana w analizach projektowych palenisk oraz optymalizacji w procesie regulacji procesu spalania w instalacjach do termicznego przekształcania odpad„w.
KOMORA SPALANIA Wysokość warstwy 250mm 150mm 50mm
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Czas procesu [min.]
POWIETRZE PIERWOTNE lambda powyżej 1
lambda poniżej 1
ubytek objętości warstwy
Rys.4.8. Identyfikacja lokalizacji stref spalania w warstwie w zależności od wielkości wsp„lczynnika nadmiaru powietrza oraz zmiany geometrii warstwy.[1]
5. Podsumowanie
Podczas procesu spalania na ruszcie materiał odpad„w przechodzi liczne przeobrażenia fizyczne i chemiczne. Znajomość tych wielkości jest podstawą do dalszych, głębszych analiz nad optymalizacją procesu spalania. Stworzenie modelu matematycznego obejmującego swoją analizą wszystkie te zmiany będzie dużym krokiem w rozwoju technologii spalania, szczeg„lnie jeżeli taki model będzie obejmował wpływ konstrukcji – tj. typ rusztu z uwzględnieniem mieszania wzdłużnego. [4]. Wraz z rozwojem gospodarczym powstaje duża ilość odpad„w komunalnych, co prowadzi w coraz większym stopniu do zanieczyszczenia środowiska. Zaczyna brakować miejsca pod budowę nowych składowisk, a wszystkie inne sposoby unieszkodliwiania odpad„w nie rozwiązują ich problemu całkowicie. Spalanie odpad„w jest obecnie na całym świecie jednym z podstawowych element„w gospodarki odpadami. Jako proces energetyczny nie jest ono pozbawione wad, a ich usunięcie wymaga właściwej organizacji. Właściwa organizacja procesu spalania i odpowiednio dobrany system oczyszczania spalin są gwarancją nisko-emisyjności całego procesu.
Podczas procesu spalania na ruszcie odpady zmieniają swoje właściwości fizyczne, jak i chemiczne. Wraz z czasem trwania procesu zmienia się między innymi geometria warstwy, porowatość warstwy, gęstość nasypowa i pozorna materiału warstwy oraz następuje ubytek masy spalanych odpad„w. Wysokość warstwy zmniejsza się na skutek wypalania się paliwa, czyli maleje wraz z ubytkiem spalanej pr„bki. Gęstość nasypowa i pozorna spalanej warstwy rośnie wraz z ubytkiem masy pr„bki, czyli z czasem trwania procesu spalania, ponieważ składniki mineralne mają gęstość większą niż pr„bka przed spaleniem. Porowatość uzależniona jest od gęstości pozornej i nasypowej, najpierw rośnie, aby w środkowej części trwania procesu zacząć maleć. W czasie badań przeprowadzono pomiar zawartości pierwiastka węgla i wodoru w spalanej pr„bce w r„żnych odstępach czasu trwania procesu.[5]. Wraz z wypalaniem się pr„bki zar„wno zawartość węgla jak i wodoru dochodziła do zera, co sugeruje, że proces dobiegł końca. Dłuższe prowadzenie procesu spowodowałoby to, że zawartość węgla i wodoru osiągnęłaby wartość zerową. Badano r„wnież rozkład temperatury fazy stałej i gazowej w spalanej warstwie odpad„w na ruszcie, na trzech wysokościach warstwy: 50mm, 150mm, 250mm. Temperatury najpierw wzrastały, aby p„źniej progresywnie maleć. Spowodowane to było wypalaniem się materiału odpad„w w warstwie. Przy pomiarze składu ilościowego i jakościowego fazy gazowej określono cztery składniki :CO2, CO, NO, SO2 [5]. Koncentracja CO najpierw rosła, osiągając maksimum po 6 minutach trwania procesu, a następnie wraz z upływem czasu trwania procesu zmalała prawie do zera, co oznacza dojście procesu do pełnej stechiometrii wzdłuż wysokości warstwy (tlen doszedł już do całej warstwy wzdłuż jej wysokości). Koncentracja SO2 wzrastała, a dopiero pod koniec procesu wykazała bardzo wolną tendencję spadkową. Mogło to być spowodowane obecnością siarki w popiele. Badania jednak nie objęły pomiaru tego pierwiastka w pr„bce odpad„w, a także w stałej pozostałości po spaleniu. Mechanizm przechodzenia siarki powinien być w przyszłości zbadany.
Koncentracja NO utrzymywała się prawie na tym samym poziomie, z wyraźną tendencja malejącą pod koniec procesu. Koncentracja CO2 r„wnież zaczynała maleć pod koniec procesu. Znajomość określonych wielkości daje podstawę do głębszego zastanowienia się nad całym procesem spalania i nad jego optymalizacją. Wyniki badań eksperymentalnych służą do weryfikacji ciągle doskonalonego modelu matematycznego procesu spalania w warstwie odpad„w spalanych na ruszcie ruchomym paleniska kotłowego, między innymi opisanego w pracy [2].
Literatura
[1] Jaworski T.:Praca doktorska- Modelowanie matematyczne procesu spalania
[2] warstwy odpad„w komunalnych na ruszcie paleniska kotłowego. Politechnika Śląska.Gliwice 1999r.
[3] Jaworski T., Wandrasz J.W.:Mathematische Modellierung des Verbrennungs-prozesses in der Abfallschicht auf dem Wandrost des Kessels, VDI Berichte1540, Wege des Abfalls, VDI Verlag GmbH, Dusseldorf 2000.
[4] Nadziakiewicz J.:”Spalanie stałych substancji odpadowych”. Wydawnictwo Gnome.PAN.Katowice 2001r.
[5] Jaworski T., Wandrasz J.W.:” Mathematische Modellierung des Verbrennungsprozesses In der Abfallschicht und der Festsstofftransport auf Rostsystemen“. X Internationales Symposium- Warmeaustausch und erneuerbare Energiequellen. Szczecin-Międzyzdroje, 08-11.09.2004r.
[6] Praca Dyplomowa Magisterska „ Badania eksperymentalne zmienności parametr„w spalanej warstwy materiału na ruszcie urządzenia do termicznego przekształcania odpad„w”– Joanna Ryndziewicz. Politechnika Śląska..Promotor- dr inż. Tomasz Jaworski. Gliwice. Wrzesień 20004r.
[7] Szargut J.”Termodynamika”. PWN. Warszaw 1980r.
[8] Żelkowski J.: „Kohlenverbrennung:. VGB-Kraftwerkstechnik GmbH, 1986.
[9] „Fundametals Aspects of Emissions from the Burning Bed in Muniupa Bold Wested Incinerator“. European Conference Porto-Portugal.11-14 April 2000. Materiały konferencyjne.
