Termiczna degradacja odpadów przemysłu farb i lakierów

ZlitiZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI Sl.ęSKIEO 1987

Seriat ENERGETYKA z. 97 Nr kol. 1011

Adam LUCKG3

Z a k ł a d Urzą dze ń Chemi cznych Energetycznego Wykorzystania Odpadów, Instytut Techniki Cieplnej Politechniki Alaskiej w Gliwicach

TERMICZNA DEGRAOACO A O D P A D Ó W PRZEMYSŁ U FARB I LAKIERÓW

S t r e a z c z e n i e . W pracy prz edstawiono dane dotyczące składu oraz niektóry ch właś ciwoś ci stałych i ciekłych odpadów powstających w zakładzie produk ują cym farby i lakiery. Sposób termicznej degrada­

cji o d pa dó w opisano no przykładzie instalacji do spalania fluidalne­

go wyposażonej w komory z tzw. warstwą "prędką".

1. WSTęP

Proce sy technologiczne stosowane w fabrykach farb i lakierów, obok produktu głównego, dają szereg prod ukt ów ubocznych w postaci odpadów charakteryzujących się dużą różnorodnością i zmiennością składu chemicz­

nego, kon systencji i własności fizykochemicznych, takich Jakt lotność, temperatura zapłonu, temperatura topnienia, temperatura rozkładu, wartość opałowe, poj emn ość cieplna itd. W skład odpad ów wchodzą obok zużytych opakowań papierowych i drewnianych odpady z tworzyw sztucznych i gumy, roz puszczalniki i żywice, pigmenty, wypełniacze i plastyfikatory, a także znaczna ilość ługów po myciu urządzeń technologicznych. Łącznie w odpadach wyróż ni ć można kilkadziesiąt związków orgarticznych i nieorga­

nicznych, Substancje organiczne wystę pująca w odpadach ciekłych, Jek również wi ększo ść odpadó w stałych, charakteryzują się wysoką wartością opałową, dzięki czemu zastosowanie proces u spalania do ich utylizacji nie nastręcza większych trudności. Ponadto, dzięki brakowi związków chloru /chl or występuje Jedynie w odpadach folii PCW, których ilość jest nieznaczna w porówna niu z ogólną ilością odpadów/ oraz znikomej zawarto­

ści siarki w odpadach /pr aktycznie niewielkie ilości siarki zawiera jedynie guma i papier z opakowań surowców/ w produktach spalania nie

140

Adom Łuckoś

występuj ę toksyczne substancje groźne dla środowiska /np.i S0 2 , HC1/ Jak 1 dla tworzyw konst ruk cyjny ch stoso wanych przy budowle plec ów do ich spalania. Wys tępo wa ni e natomiast dużych ilości zwięzanego azo tu w żywicach stwarza ni eb ez pie czeńs two powstawania, szczególnie w strefach wysokich ęsmperetur, zn acz nych ilości tlenków azotu. Odrębnę grupę odpadów, wymagajęc ę osobn ego potrakt owani a z uwagi na znacznę za war toś ć wody, stanowię ługi po wataj ęce w trakcie mycia ur zę dze ń technologicznych.

W niniejszej pracy prze dst awion o próbę kom pleksowego rozwlęzania pro bl em u degra dac ji o d p ad ów powstaj ęcy ch w trakcie produkcji farb i la ki er ów na przy kładz ie prototypowej instalacji zaprojektowanej w Instytucie Techn iki Cieplnej Po lit ech niki Slęskiej i przeznaczonej do realizacji w Ciesz yńskiej Fabryce Farb i Lak ie ró w [li,

2. SKŁAD I WŁASNOŚCI ODPADÓW

Odp ad y stałe przez naczo ne do spalania zawieraję w swoim składzie worki papierowe zan iec zyszc zon e pigmentami, drewno z palet i odpady drewniane /p ob ud o w l a n e / oraz od pady z tworzyw sztucznych /głównie polietylen i pol ip ro py le n/ i gum y w postaci worków, bę b n ó w i beczek po surowcach, zużytych węży, przekładek, folii ob cię gajęc ych itp.

W skład odp ad ów ciekł ych wchodzę głównie żywice i rozpuszczalniki organiczna. W grupie żywic wy ró żn ić można nast ępu jęc e zwięzkii

- żywico alkid owe oparte na ole ju lnianym, sojowym, rycynowym, glicerynie, p e n t a e r y t r y c i e , tró jme tylopropanie i bez wo dn ik u kwasu ftalowego,

- ży wice akrylowe i epoksydowe /kop ol im er y es tr ów akrylowych i styrenu/, - żywice aminowe oparte na kondensacją, for maldehydu z melaminę oraz

formal de hy du z mocznikiem.

Rozp usz cz al ni ki organiczn e to głównie metanol i ksylen.

Średn i skład pier wia stkow y oraz wart ość opałowę stałych i ciekłych o d p adó w podano w tablicy 1.

Ponadto w skład odpa dó w w chodzę nieznaczne ilości środków pomocniczych /sykatywy, ftalan dwubutylu, epo ksydo wan y olej sojowy/ oraz pigmenty

i wyp eł niacz e ./wypełniacz węglanowy, mikrotalk/.

Średniskładpierwiastkowyi wartośćopałowaodpadów

Termiczna degradacja odpadów .

1A1

<o o -O

<0 ^{-V -}0)

>- -o

©

T)a O

>- T>

©

a

•oo NI -H

H pl C a n N © O N C£ O

-O

■>**0 [6 L. 2

<1 -O 'O

cl o cn ro pi O NrM

> > N 2 •

|tlNO

© U PJ O. O V ro 2 n O +» 0)

L> • o c

© 2 a o) ho u o o

0) 2o t- -X H•H ©

t- a o ©

cl

H

•NC

©

©

ro in in

* * • *

in CM

in CM H

ro V0 rl

* •k

ro H m

kO CM

H O CD in N

• CM in r-i O

in CM CM

s a fc S?

K>

10 o o o o o

ro CM ro CM

in CI' kO ro ro

o

CD ro ri CM in tO in

kO CD H CM H CM 00 O* ^H

* » « » •k * • ro

H in < O O H r* CO co

CM H tH

H iD in O' ro O V0 O

• • • « « * IN

ir> o O 00 O ro

in rf H

CM

CM tn 00 in CM in r*

• • • ro

CD O o ^CM

H

■'t

IA 00 00 ri o 00

• • % • • o

O ro O o o kO

* ro CM

H

v0 ■M*

ro tH H O o

« * * » • * •

ro CO O O in 10 o

CM CM CM H O'

’’t O'

©2 i 13

© i- 2 cno rM c

© o

•H ©

O JC O c o 2 a

©

o2 rM

©a o

*o o cn

J*

Adam Łuckoś

Zużyte ługi z mycia ko nt en er ów zawierają oprócz wody mydła sodowe, ftalany i wodor ot le nk i sodu i metali ciężkich wcho dzą cyc h w skład

p ig m e n t ó w oraz ni ewiel kie ilości gliceryny, p e n t a e r y t r y tu i rozpuazozal- ników.

3. INSTALACJ A 00 SPALAN IA O O P A O & W

Pr oc eay termicznej degrada cji o d pad ów podz iel ić można na trzy zasadni"

cze grupy, do których zalicza sięi

- p r o ces y odgaz owania, - p r o ces y zgazowania,

• p r oce sy spalania.

Zg azo wan ie i od ga zow anie znajduje zasto sowanie głównie w przypadku o d p a d ó w stałych; natomiast spalanie stos owa ć można dla stałych, ciekłych i gazow ych / d o pa la ni e/ subs tan cji odp adowych.

P r o ces y spalania realizowane są w różnych typach pieców.

Do n a j po pu la rn ie js zy ch zal ic zy ć można piece komorowe, obrotowe i fluidalne Na po dst awi e wstępnej anal iz y składu odp ad ów przyjęto prowadzi ć

proces spalania w komorze fluidalnej z tzw. warstwą “prędką" /liczba fluidyzacji N • 7/, W skład instalacji obok węzła spalania wchodzę!

węzeł mag az yn owa nia i wstę pn eg o pr zyg otowa nia odpadów, węzeł oczysz cza­

nia spalin oraz węzeł chemicznej obróbki ługów odpadowych.

Schemat instalacji pr ze ds taw iono na rys. 1.

3.1. Węzeł ma ga zy now ania i przygotow ania odpa dó w

O d p a d y stałe magazynowe sę na specjalnie przygot owany m składowisku u sy tu owany m w pob li żu instalacji. W i e l k oga ba ry to we odpady drewniano roz drabniane sę za pomocą piły tarczowej. Od pa dy tworzyw sztucznych i gumy oraz worki papierowe poddawane sę procesowi mielenia. Przed zał adu nkiem do komory spalania obie grupy o d p ad ów miesza się ze sobę.

Od p a d y ciekłe, w postaci żywic, olejów, rozpus zczal nik ów i odpadów farb, po wstę pnym od dz i e l e n i u zanieczysz czeń mechanicznych podawane sę

Termiczna degradacja odpadów ...

CD

co c

rM * o

CL > r-f C 0 "O • O * O H ^ O >- ^ H O ■H ? O * C J* C > (0

>•-* L. >- -O (DP O H O ? Q) c

* C -H O rH e c

»fl C D O) O-HO

* 0 N 0 O .C H

> H I H o O 4»

? G ^ t D I I CD

0 O C. O L

-M 2 -H H CD

rM i <o a (D (J* L_ -H C l * O _Q O C O D li. 2 t. -h a> a . * © 2 0 4-* - 01

N Ł. -H (0 l_ C C .*«-.* .O uofflO

•H 4-* 0 N © >_C -H c 0 I I c 0 0 4» o.

n -H rO iD h > X 2 E (5 J H H O C H 3

•• 13 O C O 0 O.

? o a • * -h o *j en i o a i n 2 co U l >*OC7> 01 P 0 1 H

0 ir> c ra ₂ © © _c o

•M H H r*H 4-* _* (0 • -* *rH Q_ 0) Q OIZ^

(0 O n (0 ,3 <0 2 fl ■ C h 0 a L l j jd aw o H 0)^ o I H *-•

•HO. *0 5 > lO 0) 1 0 O *■» 1_ A • Oł D^JrM I N 4- ‘H D C

C CL (\J O 0 0 ‘ł- O H to * 0 r-ł U 2 O 13*"'

»4- -C H U (13 0) L f0 O O c C O O H 2 > >-5 -h t_ ci « 2 rM rM .* C O 2 0 I O

o) ^ riH en _c w- aifO u

>. 0 cero 0 o i h h e H C ~D -H 011 dl o 0 O 0 -H _Q H 2 * V H 2 o c ł- Ł- L. ? E H L_ _* »*- 0 0 o o >**- _x n c i m *-*

u ? h > ro 03 <n ro

? ro i u c h h ? o cl co 0 a -o * g i

"O 13 -O O c 0 C 0 iO 0 O * l- H Q m O D H a L O D V) (31 I D ^ O Ol N 4 -» r o c N •

O -H M JD | C 2 0 H J*

c ro ro m -h £ c ra c. -H i r-< 0 13 u * ro

•H O >*H O. H x Ł. *-*

C -H *» *H • 2 0 0 (0 D C I L a D o>

r-H N 0 * O O H M D C ro i 2 c ro •*. h co 2 -h

i h 2: lot.*-»

tn r^e *-* fo jio ro

* O 2 C W»-*

o ł- * ^v- to • i. 2 U *-» e I O rH t- H M o

»-4 0 0 2 a.©a)0t-

•H *H N *-ł 4-» P I J M n 1*- L- N (OH 01 o O I 4J * o H to "O rocvio>i- h- **• oi o c H H C O l D O

<0 • J H (0 (Ni O -H J*. O •—4 H g i V *»

tn -hcl co C ro *»hc 2 C C CL ro L L ^ (UH

•HH > 01 ? 0 ) 0 I H O ro c i o ro ro ₄- cd 2 0 n n o >*4» ^a a 13 r o w N c o e ”o m » l. 0

E 0 "O H 03 O H C 2 >

o -h o h > a > ai ro 4-* rH j: e rM ro n i 0 0 *4-1 i U I £ o. L N H ItHlfl (/) H O Ol CL U- r-t <H *-l

Adam Łuckoś

do mieszalnika, skęd po w y mie sz an iu i prz ef il tr ow an iu kierowane aę do zbiornika magaz yno wego wypos ażo nego w obieg cyrkula cyj ny z pompę wymusza*

Jęcę ci ęgł y pr ze pł yw odpadów.

3.2. Węzeł spalania

Węzeł spalania o d pa dó w o bejmuje trójkomorowy piec z układ em cyklonowo- nawrotnym. Uk ład pieca zap ro jek towan o tak, aby przy najmniejszej Jego komplikacji za pe wni ć m o ż li wo ść równoczesnego spalania stałych i ciekłych odpadów. Schemat pieca pr zedst awi ono na rys. 2. Trzon pieca stanowi komora fluidalna z warstwę "prędkę" /c yr kul acyjn ę/ 1. Przy liczbie fluidyzacji N * 7 warstwa fluidalna unoszona Jest do góry komory, skęd przechodzi do części cyklonowej pieca 2. Tu następuje wytręceni e częstsk stałych spalonych i nie spalonych i powtórne zawrócenie ich do dolnej czyści komory 1, gdzie proces fluidyzacji przebiega przy N * 4.

Oo strefy tej z komór 3 1 4 dopływajp spaliny powstałe w procesie

spalania o d pad ów ciekłych i stałych. Cyl indryczna komora spalania odpadów ciekłych 3 wyp osa żona Jest w palnik rozpylacz, do którego doprowadzone sę odpady ciekłe rozpylane sprężonym powietrzem oraz gaz i podgrzane powi etrze pierwot ne. Podgrzane powietrze wtórne, podw yża zajęc e stosunek nad mi ar u p owie trza w komorze do wa rt ośc i A « 1,3 wpro wadzana Jest stycznie do poboc zn ic y cylindra, dzięki cze m u uzyskuje się zawierowanie strugi spalin.

W komorze spalania odp ad ów stałych 4, zbudowanej w kształcie szybu zamkn iętego rusztem, spalana sę od pad y pr zy A » 1,3 - 1,5 i temperatu­

rze w strefie spalania * 1473 K. Nie spalona częat kl stałe po przejściu przez ruszt wpadaję do war st wy fluidalnej goręcego materiału, której temperaturę podtr zymuję spaliny z komory 3. Spalania odp adów ciekłych z uwagi na tworzenie tlenków azo tu prowadz one Jest w temperaturze rzędu 1173 K.

3.3. V»uzeł oczyszczania ąpalin

Spaliny powstajęce w procesie spalania odp ad ów po odp yl an iu w cyklonie

Termiczna degradacja o d p adów ...

>?rrn> » ?>> rn>7>> > >>/?>> r m >r/rr> >>>>>/)>> w

Nys. 2. Schemat pieca z fluidalny warstwa "prędka":

1 -komora z warstwa “p r y d k g " , 2-cyklon, 3-komora spalania odpadów ciekłych, 4-komore spalania odpadów stałych, 5-palnik,

6-dyat ryb utor gazu

Fig. 2. Fast-flu id-be d furnace flow diagram

1-fast-fluid bed chamber, 2-cyclone, 3-liquid wastes incineration chamber, 4-s olid wastes incineration chamber, 5-burner,

6-gas stream distributor

i schłodzeniu w układzie wym ie nnikó w ciepła do temperatury * 423 K kierowane eg do dwustopniowego ukła du mokrego o c z y s z c z a n i a . Pierwszy stopień układu stanowi trójczynnikowy absorber fluidalny, w którym za pomocg 10 ,j roztworu NaUH prowadzony jest proces chemisorpcji toksycznych związków /głó wnie tlenków azotu/ mogących powstać w węźle spalenia. Po przejści u przez absorber fluidalny spaliny kierowane sg do odkraplacZa, a następnie do płuczki wodnej z wypełnieniem stacjonarnym

146 Adam Łuckoś

/skrube r/, gdzio nas tęp uje końcowe oczysz cza nie spalin. Układ mokrego oczyszczania, obok absorp cji toksycznych związków, zapewnia także prawie całkowite usunięcie najdrobn iejsz ych zanieczyszczeń pyłowych, które pozostaję w spalinach po prze jśc iu przez odpylacz cyklonowy . Spaliny opu szczajęce skruber, z uwagi na niskę temperaturę / * J1J K / i znaczny zawartość par y wodnej, przed ewakuację do atmosf ery podgrzewane eę w wy mi en n i k u ciepła do temperatury s 453 K, co zabezpiecza komin i rurocięgi spalinowe przed skutkami wykrap lan ia się wilgoci.

3.4. '..'pzeł chemicznej obróbki odpadowych ługów

Łu gi odpadowe zawierajg jako zanieczyszcze nia nieorganiczne /nieusuwal<

ne metodami termicznymi jak i prostymi metodami che mi cz ny mi / ług ₉odowy, węglan 9odowy oraz uwodnione tlenki metali. Zani eczys zcz enia organiczne to głównie prod ukty rozpadu żywic i es tró w oraz substancje powierzchnio«

wo czynne [2}. Ouża zawart ość wody powoduje, że ługi sę nieprzydatne do pro ces u bezpośredniej degradacji termicznej. Proces technologiczny obróbki ługów, którego schemat przedsta wia rys. 3., obejmuje zakwaszanie i wytr acani e substancji organicznych oraz neutralizac ję ścieków mlekiem wapiennym. Ługi z instalacji zakładowej gromadz one sę w zbi ornik u 1, skęd pompę podawane sę do reaktora 2, do którego dozowa ny Jest stężony kwas siarkowy oraz krzemionka w ilości 6 ,, w stosunku do mo9y ługów.

Powstała w wyn ik u reakcji su9pensja przepom pow ywana Jest do zbiorników separacyjnych 3, w których następuje oddzielenie krzemionki wraz

z wytracon ymi substancjami org anicznymi. Zakwaszo ny przo sęc z zbierajęcy się w dolnej części zbiornika 3 neu trali zow any jest mlekiem wapiennym do pU a 7.

Zneutralizowane ścieki odpro wadzane sę do zakładowej oczyszczalni ścieków. Krzemionka wraz z odf iltrowanym osadem substancji organicznych kierowana jest do komory spalania odp adó w stałych. Krzemionka odzyskana z popiołu odb ieranego z węzła spalania może być ponownie użyta

w procesie obróbki ługów odpadowych.

V&rt-\iczr\a daqraOocjn udpaci6vv ...

1V7

oC

H CCS

g a as g

N Oe a -v i

to a aj o* ? os ro as ^2 © O rH L.e (0 ©

•H ‘H 0> C

(0 os OP 5

<D 4-* 2 o0)

•« >.

X a N 0 0)1-

> a> a 2 cO O i

"O N H q a> c a *-» l / o os o o H -V .0

? H N O C I OS u vfl

*M H * P o X >

•H N C J* I n X> (M >v 'O 0 I. • flj -ox t.

o o ^

•'-) 2 H 0) O **•

C O NO-*

o a n

■H U C G 0 L 0) O X 5 H O O X a> N CO P I fM .m tn

N O* * 2 H V.

P L PC 0 O O -*

G -H (D

Q X ) ffl

X N L O • • 10 <H

>

01

osH IL

Flowdiagramofwastelyeschemicalprocessingunit 1-wastelyestank,2-dippingacidtank,3-silicondioxidefeeder,4-reactor, 5-filtrationtank,6-whitewashpreparationtank,7-pump

Adam Luckoé

4. WNIOSKI

Prze dstaw ione rozwiązanie instalacji do spalania odpa dó w pozwala na je dno czesne spalanie ciekłych i stałych o d p a d ó w poproduk cyj nych. dzięki komorze fluidalnej z warstwę "prędkę" uzysk uje się praktycznie całkowita wypalen ie częst ek odpa dó w stałych. Warstwa fluidalna stanowi takie rodzaj dopalacza dla spalin pow sta jęcyc h w komorze spalania o d p a d ó w ciekłych.

Z a st os ow an y układ odpylani a oraz mokrego oc zy szc zan ia spalin gwarantuje, że spaliny opu szc zajęc e instala cję cał kow ic ie będę pozb awi one zanieczysz­

czeń pyłowych i gazo wyc h szkodliwyc h dla środowiska naturalnego. Ścieki powstajęce w wy n i k u chemicznej obróbki ług ów zawieraję obok wody tylko rozpusz czone sole metali, dzięki c z e m u możl iw y jest ich bezpośredni zrzut do zakładowej ocz ysz czaln i ści eków bez ko ni ecz ności dokonywania dodat kowych zabiegów.

Ze w z gl ęd u na stosunkowo wysokę średnię w a r toś ć opałowę odp adów istnieje m o ż liw oś ć odz ysk u nadwyżki energii cieplnej z instalacji.

Zagosp od ar ow an ie tej nad wyż ki napotyka jednak że na trudności spowodowana nie stabi lny m cha ra ktere m źródła energii, wy ni kaj ęcy m z okresow ych wahań wartości opałowej odpadów, ogran ic zo ny m czas em rocznej ekspl oatacji /p roj ek to wa ny czas eks ploat acj i wyn os i o k . 5000 h/r ok / oraz względami natu ry ekono micznej /d od at ko we inwestycje/.

S LITERATURA

1. Projekt proc es ow y instalacji do spalania odpa dó w poprodukcyjnych.

Praca nauko wo-ba daw cza, 1986. Maszy nop is dostępny w ITC Politechni­

ki Slęsklej .

2. Wand ras z O. 1 i n .t Pr ze pro wadze nie badań, opraco wan ie koncepcji oraz pro jek tu technicznego 1 wyko na ni e prototypowej instalacji do spalania o d pad ów po pro duk cyjny ch. Praca naukowo -badawcza, 1986.

Maszynop is dostępn y w ITC Polit ec hn ik i S l ę s k i e j .

Wpły nęł o do Redakcjit paźdz iernik 1987r. Recenzent

Doc.dr hab.inż. L.Troniewski

Termiczna degradacja odpadów .

THERMAL UTILIZ ATION OF WASTES FROM PAINT AND VARNISH MANUFACTURING WORKS

S u m m a r y

The paper presents data concerning elementar composition and calorific value of solid and liquid wastes from paint and varnish manufac tur ing works. Solid wastes consist mainly of wooden waste materials and plastics from raw materials packages. In the liquid was tes there are main ly resins having a great contents of

comi ca ll y bo unded nitrogen. A separate gruop of waste materials due to their specific properties are lyes after washing of technological equipment and containers.

A flow flagram of a prototype waste incineration plant provided with a three-chamber furnace having so-called fast fluid-bed is presented.

The plant consists oft Incineration unit, a storage unit, waste prepara tion unit, a flue gases neutraliza tion unit, and waste-lyes chemi ca l processing unit. The presen ted solution ensures

simultaneous Inc ineration of solid and liquid wastes. The fast fluid-bed chamber ensusres an almost total incineration of solid wast es particle s and a post-combu sti on of flue ga9es from the liauld and solid wastes incineration chambers. The dedusting unit and the flue gas wet neutraliza tion unit consist of cyclone, a turbulent bed wet scrubber, and they ensure a complete flue-gas absorb er purif ication from gaseous and du9t pollutions.

TÉPMOTECKAH 7TMH3AII1/Ifl OTX020B B nPCmiUlJIEHHOCTH JTAKOB H KPACOK PesBMe

B

B

to naaiiB H aH jcauepa c "<5nctphm" cnoeu npaKTnvecKH o(5ecneHHBaeT nojinoe c r o p a - HH6 UOJieKyil OTXOflOB.