Transport masy na rusztach przegarniajacych urzadzen do termicznego przekształcania odpadów

and Environmental Protection

http://ago.helion.pl ISSN 1733-4381, Vol. 4 (2006), p-33-42

Transport masy na rusztach przegarniających urządzeń do termicznego przekształcania odpadów

Jaworski T. J.

Politechnika Śląska, Katedra Technologii i Urządzeń Zagospodarowania Odpadów 44-100 Gliwice, ul. Konarskiego 18, tel. 032 2371213, fax.032 237 1167

e-mail: t.jaworski@mz.pl lub tomasz.jaworski@polsl.pl

Streszczenie

Zagadnienie badań transportu masy w reaktorach chemicznych a w szczególności na rusztach przegarniających urządzeń do termicznego przekształcania odpadów za pomocą metod znacznikowych, daje nieocenioną znajomość struktury przepływających przez te urządzenia strumieni materiałowych, pozwalając na lepsze zrozumienie istoty zachodzących w nim procesów transportu masy i ciepła. Znacznikowe badania hydrodynamiki mediów dają możliwość wniknięcia w trudne do zaobserwowania lub niewidoczne struktury przepływających czynników. W wielu przypadkach są one jedynym narzędziem pozwalającym na prowadzenie badań struktury przepływu masy.

W modelowaniu transportu materiału na ruszcie powyższe informacje mają duże znaczenie przy doborze optymalnego nachylenia rusztu i prędkości przesuwu rusztowin np. przy doborze wydajności rusztu, a także wzbogacają naszą wiedzę dotyczącą ruchu i zachowania się różnych frakcji materiału stałego co jest pomocne przy modelowaniu procesu transportu przy zmieniającej się średnicy cząstki poddanej procesom: suszenia, odgazowania, zgazowania czy spalania.

Abstract

Mass transport on the mechanical grate of waste thermal treatment devices.

Combustion process – especially waste combustion – seems to be very easy to organize. In fact, it is very complex and could be carried out in different ways to obtain highest possible ecological, energetic and economic efficiency. Calculation method of real time of waste residence in combustion chamber – elaborated as computer program is described in this paper. Quoted above computer program combines link measurement data and mathematical formulae; tests carried out by author in Silesian University of Technology, Chair of Technologies and Installations for Waste Management in year 2006 on laboratory stand for testing advancing and reciprocating grates and compare it with theoretical equations. Regression model and method of calculation of average time of residence on the grate is described. Difference between time of residence in ideal and real reactor is the result of stochastic character of the second one. Because in the model mechanical grate is treated as real reactor flow it is adequate to the real conditions and can be intermediate compared to ideal flow models. Quoted above flow model described in the paper includes mixing

phenomenon (longitudinal dispersion). Mixing intensity - which is linked with time of residence on the grate - depends on: type of grate, angle of inclination, grate speed, grate length and sort of transported material.

1.Wstęp

Bardzo ważnym elementem w instalacji do spalania odpadów jest ruszt. Odgrywa on ważną rolę w procesie spalania. Ruszt pełni funkcję urządzenia transportujacego materiał odpadów, zapewnienia odpowiednie ich wymieszanie oraz właściwe doprowadzenie powietrza.

Ze względu na sposób doprowadzenia powietrza ruszty można podzielić na: • ruszty z nadmuchem jednostrefowym,

• ruszty z nadmuchem wielostrefowym.

Ze względu na sposób transportu materiału ruszty można podzielić na: ruszty nieprzegarniające (poziome, schodkowe, walcowe),

ruszty przegarniające (posuwiste, posuwisto zwrotne, posuwisto-przeciwbieżne), ruszty specjalne.

Niniejsza praca badawcza dotyczyła procesu transportu materiału odpadów „na zimno”,na rusztach przegarniających, z uwzględnieniem zmian własności fizyko-chemicznych tych materiałów, dla uzyskania podobieństwa przeobrażeń jakie się w nim dokonują podczas spalania. Zaproponowano pewną analogię między procesami zachodzącymi w komorze spalania z rusztem, a pewnymi typami reaktorów chemicznych. Analogia taka ułatwia próbę opisu, szczególnie w analizie transportu reagentów – w przypadku reaktorów, lub odpadów i powietrza – w przypadku komory spalania.[1],[2]

W celu wyznaczenia funkcji rozkładu czasu przebywania dla różnych typów reaktorów zastosowano doświadczalną metodę bodziec – odpowiedź. Rolę sygnału spełniła odpowiednio dobrana substancja wskaźnikowa (tzw. traser), której określona ilość wprowadzona została, w ściśle sprecyzowany sposób, do strumienia, na wejściu do reaktora. Rejestracja stężenia tej substancji jako funkcji czasu na wylocie z reaktora pozwala na wyznaczenia funkcji rozkładu czasu przebywania. [3],[4]

2. Badania procesu transportu materiału na rusztach posuwistym i

posuwisto-zwrotnym

Celem pracy było wyznaczenie rzeczywistego czasu przebywania masy materiału odpadów na ruszcie posuwistym i posuwisto–zwrotnym w zależności od:

rodzaju materiału,

prędkości transportu materiału, kąta nachylenia rusztu, długości rusztu,

wysokości warstwy materiału,

stosując doświadczalną metodę znacznikową. Próby przebiegały „na zimno“, a więc bez udziału procesów wymiany ciepła i masy. Możliwa była zatem tylko symulacja własności badanych materiałów.

Stanowisko badawcze ruszt posuwisty, a po odpowiednim przezbrojeniu ruszt posuwisto-zwrotny – do prób na zimno, jest sterowany komputerowo co zapewnia regulację predkości rusztowin i płynną pracę. Ruszt składa się z 7-iu stałych i 6-iu ruchomych rusztowin. Parametry konstrukcyjne rusztu:

- szerokość rusztu: 0,8[m],

- długość rusztowiny: 0,37[m],

- ilość rusztowin: 13[szt.],

- powierzchnia rusztu: 4,144[m2].

Parametry robocze rusztu:

- długość posuwu elementu rusztowiny: 1 – 230[mm],

- prędkość posuwu rusztowin: 0 – 10[mm/s],

- kąt pochylenia rusztu: 00 ÷ 300,

Rys.1.Zdjęcie stanowiska badawczego - rusztu posuwistego, (ruszt posuwisto-zwrotny powstaje poprzez przezbrojenie tj.obrotu części górnej względem osi)

Badane materiały i ich znaczniki

Badania zostały przeprowadzone dla następujących materiałów:

keramzyt – sztuczne porowate kruszywo, otrzymywane przez wypalenie uformowanych z

gliny granulek, stosowanych jako wypełnienie izolacyjne ,

drewno – odpadki (ścinki) drewniane,

mieszanka (keramzyt + drewno + biomasa zmieszane w odpowiednim stosunku masowym

3. Warianty badań

Warianty badań na rusztach posuwistym i posuwisto-zwrotnym przedstawia tabela nr 1 oraz opis poniżej tabeli.

Tabela 1. Warianty badan na ruszcie posuwistym

Badany materiał Kąt nachylenia rusztu [ °] Prędkość przesuwu rusztowin [mm/s] Długość rusztu [m] Keramzyt 9 , 13 , 16 1,5 ; 3,5 ; 7 2,75 Ścinki drzewne 9 , 13 , 16 1,5 ; 3,5 ; 7 2,75 Rozdrobnione odpady drzewne 9 , 13 , 16 3,5 2,75 Mieszanka w.w. materiałów 13 3,5 ; 7 2,75

Dla każdego kąta nachylenia rusztu posuwistego przeprowadzono pomiary dla każdej z prędkości przesuwu wymienionej w tabeli 1.

Wysokość warstwy materiału na ruszcie w zależności od rodzaju materiału wynosiła od : 70-150 mm

W przypadku rusztu posuwisto-zwrotnego wszystkie materiały zostały przebadane dla trzech kątów pochylenia rusztu: 200; 260 i 300 oraz dla trzech prędkości posuwu rusztowin:

1,5mm/s; 3,5mm/s; oraz 7mm/s co w sumie daje dziewięć kombinacji pomiarowych dla

każdego materiału.

Wysokości warstwy badanych materiałów były następujące: - ok. 6cm dla keramzytu,

- ok. 12cm dla drewna,

- ok. 15cm dla biomasy i mieszanki.

Dobór badanych materiałów nie jest przypadkowy. Materiały te, a szczególnie ich właściwości takie jak: gęstość nasypowa i pozorna, wielkość i kształt ziarna, porowatość itd identyfikują w pewnym stopniu przeobrażenia materiału odpadu (np biomasa, drewno) podczas jego spalania na ruszcie.[5]

4.Matematyczny algorytm obliczeniowy czasu przebywania materiału odpadów na ruszcie-RTD.[6]

( )

(

)













₋

−

=

tD

ut

L

tD

u

t

E

4

exp

4

π

(1)

t –czas pobytu materiału na ruszcie

Szczegółowy opis algorytmu obliczeniowego znajduje sie w pracy [6]. Funkcję rozkładu E(t) w postaci bezwymiarowej E(θ) [1]:

( )

(

)

(

)













Θ

Θ

−

−

Θ

=

Θ

₄

1

exp

4

1

Pe

Pe

E

π

(2)

Prezentowany algorytm obliczeń czasu przebywania materiału na ruszcie opracowany jest w formie programu komputerowego.

4.Wyniki badan

Poniższe rysunki 2 do 6 przedstawiają wykresy zależności funkcji E(Θ) oraz wielkości ziarna w funkcji czasu procesu lub jego bezwymiarowej formy Θ.

Ruszt posuwisty

cały znacznik frakcja 1(10-13mm) frakcja 2(13-17mm) frakcja 3(17-20mm)

E(θ)

θ

Rys.2. Wykres rozkładu czasu przebywania różnych frakcji keramzytu na ruszcie posuwistym,kąt nachylenia 13o, prędkość posuwu rusztowin 3,5 mm/s.

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Średni czas przebywania materiału na ruszcie w [min]

Średnica zastępcza frakcji keramzytu w [mm] 1,5 mm/s 3,5 mm/s 7 mm/s

Rys.3. Czas przebywania różnych frakcji keramzytu w zależności od wielkości transportowanego ziarna dla różnych prędkości posuwu rusztowin, dla rusztu posuwistego.(Kąt nachylenia rusztu 13o)

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37

Średni czas przebywania materiału na ruszcie w [min]

Średnica zastępcza frakcji keramzytu w [mm]

9 stopni 13 stopni 16 stopni

Rys.4. Czas przebywania różnych frakcji keramzytu w zależności od wielkości transportowanego ziarna dla różnych kątów nachylenia rusztu , dla rusztu posuwistego. (Prędkość posuwu rusztowin 3,5 mm/s)

Ruszt posuwisto-zwrotny

Prędkość posuwu rusztowin v=3,5mm/s

dśr=18,5mm dśr=15,5mm dśr=12mm dśr=18,5mm dś_r=15,5mm dś_r=12mm 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

Średni czas przebywania materiału na ruszcie w [min]

Średnica zastępcza frakcji keramzytu w [mm] keramzyt (kąt 26st.) keramzyt (kąt 30st.)

Rys.5. Czas przebywania różnych frakcji keramzytu w zależności od wielkości transportowanego ziarna dla różnych kątów nachylenia rusztu , dla rusztu posuwisto-zwrotnego. (Prędkość posuwu rusztowin 3,5 mm/s)

Kąt pochylenia rusztu =26 [ 0 ] Prędkość posuwu rusztowin v=3,5[mm/s] 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,1 0,1 0,1 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 θ

punkty pomiarowe całego keramzytu

krzywa widmowa całego keramzytu

punkty pomiarowe frakcji I (10-14mm)

krzywa widmowa frakcji I (10-14mm)

punkty pomiarowe frakcji II (14-17mm)

krzywa widmowa frakcji II (14-17mm)

punkty pomiarowe frakcji III (17-20mm)

krzywa widmowa frakcji III (17-20mm)

E(θ)

Rys.6. Wykres rozkładu czasu przebywania różnych frakcji keramzytu na ruszcie posuwisto-zwrotnym,kąt nachylenia 26o, prędkość posuwu rusztowin 3,5 mm/s.

5. Wnioski

Proces spalania na ruszcie ruchomym przegarniającym jest trudniejszy do matematycznego opisu w porównaniu z opisem dla rusztu nieruchomego lub ruchomego nieprzegarniającego materiał (np ruszt taśmowy).Spowodowane jest to efektem wpływu parametru czasu równoważnego z położeniem odpadu na ruszcie oraz mieszaniem wzdłużnym. Analiza czasu rozkładu materiału na ruszcie dostarcza nam nie tylko informacji o czasie przebywania ale także o charakterze przepływu i intensywności mieszania (wartość liczby Pecleta).

Ruszt posuwisty

Badania przeprowadzono na urządzeniu do prób zimnych, dlatego możliwe było zaobserwowanie pełnego rozdziału materiału na ruszcie podczas transportu i mieszania. W przypadku rusztu posuwistego rozdział materiału przybierał kształt litery ,,U’’(widok z góry). Zauważyć można mały wpływ kąta nachylenia rusztu na średnie czasy przebywania materiału na ruszcie, większy wpływ miała prędkość przesuwu rusztowin.

Na wykresach rys.3 i 4 uwidacznia się wpływ wielkości cząstek materiału na czas przebywania z tendencją: większe cząstki mają krótsze średnie czasy przebywania. W modelowaniu transportu materiału na ruszcie powyższe informacje mają duże znaczenie przy doborze optymalnego nachylenia rusztu i prędkości przesuwu rusztowin np przy doborze wydajności rusztu, a także wzbogacają naszą wiedzę dotyczącą ruchu i zachowania się różnych frakcji materiału stałego co jest pomocne przy modelowaniu procesu transporu przy zmieniającej się średnicy cząstki poddanej procesom:suszenia, odgazowania, zgazowania czy spalania.[7]

Ruszt posuwisto-zwrotny

Podczas badań na ruszcie posuwisto-zwrotnym zauważono wysoki stopień wymieszania materiału na całej długości rusztu (rys.7).

Dla wszystkich badanych materiałów następował rozdział materiału polidyspersyjnego na ruszcie w charakterystyczny sposób tj.: w górnej części rusztu umiejscawiała się frakcja drobna, w dolnej frakcja duża (rys.8).

Rys.8. Rozdział materiału na ruszcie: a) keramzyt, b) mieszanka, - widoki z góry

Dla wszystkich kombinacji kąta i prędkości biomasa miała tendencje do piętrzenia się i „falowania” (rys.9). Tworzyły się „zawisy” i wolne przestrzenie .

Rys.9. Zakłócenia w transporcie biomasy: a) zawisy, przestrzenie wolne, b) piętrzenie się, c) falowanie materiału.

Zasadą jest również wypychanie dużej frakcji na powierzchnię warstwy przez małą według mechanizmu pokazanego na rys.10.

Rys.10. Mechanizm wypychania dużych ziaren przez małe.

Transport materiału uzależniony był od kąta pochylenia rusztu. Dla kątów < 200 transport wszystkich badanych materiałów (niezależnie od prędkości posuwu rusztowin) odbywał się

tylko w górę rusztu, a więc nie miał praktycznego znaczenia.

Wszystkie badane materały charakteryzował długi średni czas przebywania na ruszcie – brak widocznego maksimum funkcji

E

(

θ

)

E

(

θ

)

6.Bibliografia

[1] Burghardt A., Bartelmus G.: „Inżynieria reaktorów chemicznych”. Tom I. „Reaktory dla układów homogenicznych”. Wyd. Naukowe PWN, Warszawa 2001.

[2] Iller E.: „Teoria badań radioznacznikowych transportu masy w reaktorach chemicznych”. Biblioteka postępów techniki jądrowej, Warszawa 1989.

[3] Szarawara J., Skrzypek J., Gawdzik A.: „Podstawy inżynierii reaktorów chemicznych”. Wyd. 2 uaktualnione. WNT, Warszawa 1991.

[4] Levenspiel O.: „Chemical Reaction Engineering”. John Wiley & Sons Verlag, 3 Auflage 1991.

[5] Jaworski T.: „Zmienność parametrów spalanej warstwy odpadów na ruszcie ruchomym”. „Paliwa z odpadów” – Tom IV. Wyd. HELION, Ustroń 2003.

[6] Jaworski T.:”Residence Time Behaviour of Material on the Grate in Waste Management device”. Archivum Combustionis. Vol.23, 2003, Nr 1,2, str.81-89. [7] Jaworski T.: “Identifzierung der Verbennungszonen in der Abfallschicht under

Feststofftransport auf Rostsystemen”. VDI – Berichte Nr 1924. Düsseldorf Mai 2006. [8] Wandrasz J.W., Jaworski T.J.

-

3T10B05327 nt “Analiza ruchu materiału na rusztach pzegarniających urządzeń do termicznego przekształcania odpadów. Politechnika Śląska. Gudzień 2006.