http://ago.helion.pl ISSN 1733-4381, Vol. 1 (2005), p-63-72
Charakterystyka cieplna pieca do spalania odpad€w
Wacławiak K.1, Formanek B.2
1
Katedra Energetyki Procesowej, 2 Katedra Nauki o Materiałach, Politechnika Śląska w Katowicach
Streszczenie
Atutem kom€r pirolitycznych jest „przetworzenie” heterogenicznej masy odpad€w na substancje lotne i karbonizat, dla kt€rych łatwiej organizować proces spalania odpowiednio doprowadzając powietrza. Walcowa komora pirolityczna jest elementem niekt€rych instalacji do spalania odpad€w. Zbudowano stanowisko doświadczalne, przeprowadzając spalanie odpad€w PE i PP, z wielokrotnego recykling. Odgazowywano zmielone odpady o wielkości ziaren do około 20 mm, o nieregularnym kształcie. Piroliza odpad€w tworzyw sztucznych następuje bardzo szybko i daje duże ilości gazu. Pojawiają się trudności we właściwej regulacji i dostarczaniu powietrza do spalania, problemem jest też niecałkowite spalanie. Duża wartość opałowa tworzyw powoduje występowanie wysokich temperatur- ważny jest właściwy dob€r materiał€w ogniotrwałych i konstrukcyjnych.
Abstract
Thermal characteristic of a rig for waste incineration
One pros for the use of pyrolysing chambers is it converts complex waste into combustible volatile matter and char. The combustion process is more controllable for such fuel. A shaft type of the pyrolysing chamber is typical for some waste. It was built a laboratory rig in order to test the pyrolysing chamber. The tests were carried out burning plastic waste PE and PP. The plastic waste was received from a recycling company, and had been processed a few times. The maximum grain size was about 20 mm, mostly irregular in shape. The pyrolysis develops very fast and results in the large amount of combustion gas but combustion produces soot. It can lead to difficulties in proper air feeding and operation control. The high heating value results in high temperature and put the used refractory and the auxiliaries in jeopardy.
1. Wstęp
Piroliza odpad€w jest jedną z termicznych metod ich przekształcania. Największym atutem stosowania kom€r pirolitycznych jest „przetworzenie” heterogenicznej masy odpad€w na palne substancje lotne i karbonizat, dla kt€rych łatwiej organizować proces spalania poprzez odpowiednie doprowadzenie powietrza Walcowa komora pirolityczna jest elementem niekt€rych instalacji do spalania odpad€w, np. spalarni odpad€w szpitalnych wg projektu Katedry Technologii i Urządzeń Zagospodarowania Odpad€w Politechniki Śląskiej. Dlatego trwają prace teoretyczne i eksperymentalne nad jej własnościami i zastosowaniem do termicznego przekształcania odpad€w i biomasy [10]. Recykling odpad€w powinien być preferowaną metodą gospodarki odpadami, biorąc pod uwagę koszt procesu. Jednakże po wielokrotnym przetworzeniu odpady te nadają się jedynie do składowania lub „spalania’. W przypadku odpad€w tworzyw sztucznych ze względu na dużą wartość opałową i gęstość odpadu (materiał zmielony), wydaje się, że wykorzystanie tego odpadu jako paliwo (działanie R1 [9]), w procesie termicznego przekształcania odpad€w (proces D10 [9]), jest ze wszech miar korzystne- źr€dło energii, redukcja objętości odpadu.
2. Opis stanowiska doświadczalnego
W celu badań komory pirolitycznej zbudowano stanowisko doświadczalne. Piec jest w kształcie prostopadłościanu o szerokości 60 cm i wysokości 1 m, usytuowanego na wymurowanym podłożu. Ściany pieca tworzą: wewnętrzna warstwa ogniotrwała i zewnętrzna warstwa izolacyjna. W środku bryły umieszczono (zawieszono) rurę stalową o średnicy 270mm, zamkniętą rusztem. Pomiędzy bryłą a rurą utworzono w ten spos€b komorę spalania. Podczas przepływu spalin do komina ogrzewają one przeciwprądowo wsad pieca.
Na zbudowanym stanowisku powietrze doprowadza wentylator. Powietrze trafia do kolektora gdzie następuje jego podział na dwa osobne doprowadzenia powietrza. Powietrze do obudowy pieca kierowane jest wężami. Powietrze pierwotne doprowadzane jest do komory spalania, poprzez komorę pirolityczną. Powietrze wt€rne służy do dopalenia gazowych i stałych produkt€w niezupełnego i niecałkowitego spalania.
Układ odprowadzenia gazowych produkt€w spalania stanowi rura stalowa wyprowadzająca spaliny z komory spalania do komina. W kanale spalinowym znajduje się otw€r umożliwiający wprowadzenie sondy analizatora spalin i pomiar temperatury. Dodatkowe punkty pomiarowe umieszczono w dole pieca (komora spalania), oraz w komorze pirolitycznej: nad wsadem i wewnątrz wsadu.
Opomiarowanie stanowiska:
termoelementy do pomiaru temperatury:
komory spalania (Tks)- PtRh-Pt, o zakresie do 1300 C;
nad wsadem (Tgkp);
wsadu (Tw1,2,3)- NiCr-Ni, o zakresie do 900 C;
analizator składu spalin: IMR 3000P mierzący udział O2, CO, NO, NO2, SO2, H2S;
rotametry do pomiaru strumieni podawanego powietrza.
Rys. 2.1. Schemat stanowiska do pirolitycznego spalania odpad€w
3. Spalane odpady
Pr€by na stanowisku przeprowadzono spalając trociny drzewne, oraz odpady tworzyw sztucznych: polietylen (PE) zmieszany z polipropylenem (PP). Trociny drzewne to typowe pozostałości po cięciu drewna. Odpady z tworzyw sztucznych pochodziły z wielokrotnego recykling i ze względu na słabe własności mechaniczne nie nadają się do dalszego przerobu.
powietrze
wt€rne
WYLOT Z PIECA
spaliny
pomiar Tsp
i składu spalin
KOMORA
SPALANIA
załadunek
wsadu
powietrze
pierwotne
KOMORA
PIROLITYCZNA
pomiar Tks
pomiar Tgkp
i
Tw,1-3
oraz
skład gazu
gaz pirolityczny spaliny powietrzeRys. 3.1. Utylizowane odpady tworzyw sztucznych [1]
Odgazowywano zmielone odpady o wielkości ziaren do około 20 mm, o nieregularnym kształcie (Rys. 3.1.). Udział ziaren o wielkości mniejszej niż 5 mm wynosił 28% (masowo). Gęstość nasypowa odpad€w wynosiła 437 kg/m3. Porowatość wsadu- złoże usypane: 0,5. Odpady PE charakteryzują się dużym uzyskiem gazu pirolitycznego z jednostki masy wsadu. Jest typowe, że piroliza odpad€w tworzyw sztucznych następuje bardzo szybko i daje duże ilości gazu. Może to sprawiać trudności we właściwej regulacji i dostarczaniu powietrza do spalania [5].
Proces odgazowania zwany często pirolizą [12] poprzedza proces spalania. Tworzywa sztuczne charakteryzują się znikomą zawartością popiołu, substancja mineralna może pochodzić z zabrudzenia odpadu np. ziemią. Podobnie ilość wilgoci jest znikoma. Aby ocenić zależność procesu odgazowania od temperatury przeprowadzono pr€by wyznaczania zawartości części lotnych w zakresie temperatur od 200 do 900 •C, w piecu muflowym. Pr€bki przetrzymywano przez wystarczająco, aby uzyskać odgazowanie zupełne, długi czas- od 30 do 5 min, odpowiednio ze wzrostem temperatury. Orientacyjne czasy przetrzymywania tygli z pr€bkami zostały określone w spos€b identyczny jak w podobnych badaniach [6]. Stosunek odgazowania zupełnego obliczano wg wzoru [8]:
, l T s o
m
z
m
(1)gdzie ml jest masą części lotnych, a ms,o masą początkową substancji w stanie suchym i
bezpopiołowym (daf).
Na Rys. 3.2. przedstawiono przebieg zmiany wartości stosunku odgazowania zupełnego zT
w funkcji temperatury procesu, wraz z por€wnaniem z wartościami literaturowymi. Należy zaznaczyć, że badania por€wnawcze wykonywano termowagą, na małych pr€bkach, w atmosferze obojętnej (azot) i z kontrolowaną prędkością nagrzewania [4, 7]. Przedstawione krzywe wyraźnie wskazują na wpływ atmosfery badania na przebieg procesu. Badania termograwimetryczne pokazują, że proces odgazowania zaczyna się w temperaturze około 430C [4] i trwa do 500-550C [7]. Jednak wykonane w piecu muflowym oznaczenie jest orientacyjne i może być wstępnie stosowane do oszacowania
przebiegu procesu. Co więcej rzeczywiste odgazowanie w reaktorze pirolitycznym zachodzi właśnie w mieszaninie powietrza (w niedomiarze) oraz powstających gaz€w pirolitycznych. Literatura wskazuje na fakt, że odpady PE charakteryzują się dużym uzyskiem gazu pirolitycznego z jednostki masy wsadu. Przykładowo w temperaturze 800C, już po 3-5 minutach osiąga się 720 dm3/kg wsadu, podczas gdy dla PVC tylko 191 dm3/kg wsadu. Gaz pirolityczny ma zmienny skład, a jego wartość opałowa wynosi maksymalnie około 21 MJ/Nm3, w temperaturze 660C. Ale już dla 550C- 17,5, oraz 800C 19 MJ/Nm3 [5]. Jest typowe, że piroliza odpad€w tworzyw sztucznych następuje bardzo szybko i daje duże ilości gazu.
W tabeli poniżej przedstawiono por€wnanie dw€ch podstawowych parametr€w charakteryzujących trociny i tworzywa sztuczne. Ponieważ gęstość nasypowa tworzyw jest prawie 2,5-krotnie większa niż gęstość nasypowa trocin- [3] oraz wartość opałowa tworzyw jest 3-krotnie większa niż trocin, wobec tego objętościowa wartość opałowa tworzyw jest 7,3-krotnie większa niż trocin, a co za tym idzie r€wnież moc doprowadzona do pieca przy spalaniu tworzyw jest większa niż przy spalaniu tej samej ilości trocin.
Tabela 3.1. Por€wnanie trocin drzewnych i tworzyw sztucznych ze względu na gęstość
nasypową i wartość opałową [4] nasypowa[kg/m 3 ] Wd[MJ/kg] Wdv[MJ/m 3 ] Trociny drzewne 168 15 2520 Tworzywa sztuczne 437 42 18354 0 20 40 60 80 1 0 0 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 tem p eratura, C ZT , % B a d a n i a w ł a s n e [ 7 ] H D P E [ 7 ] L D PE [ 4 ]
4. Krzywa nagrzewania i chłodzenia pieca
Zastosowane materiały pozwoliły zbudować piec o małej bezwładności cieplnej. Aby określić liczbowo jej wielkość nagrzewano pusty piec spalając gaz ziemny aż do uzyskania stanu ustalonego, a p€źniej, po wyłączeniu gazu, pozwalając na swobodne chłodzenie pieca. Przedstawione wyniki pr€b pokazano na Rys. 4.1. D€ł pieca (komora spalania) osiąga maksymalną temperaturę w granicach 900 C, po około 100 minutach. Wylot z pieca (kanał spalinowy) nagrzewa się do 600 C, przy czym duży wzrost temperatury następuje już po 30 minutach, a stan stabilny osiągany jest po 60 minutach. Podczas chłodzenia pieca już po 30 minutach następuje spadek temperatur do poziomu 200 C.
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 20 40 60 80 100 120 140 160 czas [min] te m p e ra tu ra [C ] tks tsp
Rys. 4.1. Krzywa nagrzewania i chłodzenia pieca (przy spalaniu gazu z =1,4); tks
-temperatura komory spalania, tsp- temperatura spalin
5. Wyniki pr€b
Zbudowany piec jest typem reaktora okresowego. Przebieg zmian parametr€w cieplnych i emisyjnych ma charakter nieustalony. Pierwsze pr€by przeprowadzono spalając trociny drzewne (Rys. 5.1). Aby zbadać przebieg procesu odgazowania utrzymywano spalanie paliwa dodatkowego (gaz ziemny) w komorze spalania, prowadząc wsp€łspalanie gazu pirolitycznego, koksu z gazem ziemnym. Jak można zobaczyć odgazowanie zaczyna się prawie natychmiast, dając wyraźny wzrost temperatury. Spalanie produkt€w odgazowania trocin kończy się po około 80 minutach.
Na zbudowanym stanowisku wykonano też pr€by odgazowania odpad€w tworzyw sztucznych. W tym przypadku rozpalano piec spalając kawałki drewna (poniżej komory pirolitycznej), po pewnym czasie następowało wydzielanie się produkt€w odgazowania tworzyw sztucznych i szybki wzrost temperatury pieca. Potwierdziło się, że duża wartość opałowa spowoduje występowanie wysokich temperatur, co należy brać pod uwagę przy doborze materiał€w ogniotrwałych i konstrukcyjnych Przykład takiego przebiegu spalania pokazano na Rys. 5.2. W Tabeli 5.1. podano gł€wne parametry pr€b przeprowadzonych w omawianym piecu. 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 20 40 60 80 czas [min] te m p e ra tu ra [ C ] tks_gaz tsp_gaz tks_gaz+trociny tsp_gaz+trociny
Rys. 5.1. Zmiany temperatur podczas spalania trocin drzewnych (przy spalaniu gazu z
=1,4); tks- temperatura komory spalania, tsp- temperatura spalin
Tabela 5.1. Podstawowe parametry podczas pr€b utylizacji biomasy i odpad€w tworzyw
sztucznych
Trociny Trociny+Tworzywa sztuczne Tworzywa sztuczne
Wsad [kg] 4 1+3 5 Maks. temperatura komory spalania [C] 800-900 1200-1300 >1300 Maks. temperatura w kanale spalinowym [C] 600-800 900-950 >950 Moc cieplna [kW] 10-15 35-40 55
Przeprowadzone pr€by pokazują potencjał takiego typu komory pirolitycznej w zastosowaniu do termicznej utylizacji odpad€w tworzyw sztucznych. Uzyskane doświadczenia pozwolą na poprawienie konstrukcji pieca i dob€r optymalnych proporcji wymiarowych. 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0 20 40 60 80 czas [min] te m p e ra tu ra [C ] tks_gaz tsp_gaz tks_tworz tsp_tworz
Rys. 5.2. Zmiany temperatury podczas spalania tworzyw sztucznych; tks- temperatura
komory spalania, tsp- temperatura spalin
6. Możliwości badawcze
Opisane stanowisko będzie wykorzystywane do badania utylizacji mieszanin tworzyw sztucznych, odpad€w komunalnych, paliw typu Pakom i innych pod kątem emisji zanieczyszczeń gazowych i stałych, jak r€wnież odporności korozyjnej materiał€w ogniotrwałych i stosowanych pokryć ochronnych. Szczeg€lnie aspekt materiałowy jest godny zainteresowania, gdyż niejednorodność składu utylizowanych odpad€w stawia nowe wymagania nanoszonym pokryciom ochronnym. Powłoki natryskiwane cieplnie, wytwarzane z typowych materiał€w np. IN 625, są niewystarczające i wymagają prac rozwojowych [2].
Literatura
[1] Bula T.: Spalanie odpad€w tworzyw sztucznych w piecu z komorą pirolityczną. Praca inżynierska. Politechnika Śląska. Katowice 2002.
[2] Formanek B., Szymański K., Kowalski B., Włodarczyk A.: Zastosowanie technologii natryskiwania cieplnego dla ochrony urządzeń energetycznych przed zużyciem erozyjnym i korozyjnym. Konferencja Problemy i Innowacje w Remontach Energetycznych. Jugowice 27-29.XI.2002.
[3] Hansla K.: Charakterystyka energetyczna i emisyjna pieca do spalania odpad€w z komorą pirolityczną. Praca inżynierska. Politechnika Śląska. Katowice 2003.
[4] Kiran N. i in.: Recykling of plastic waste via pyrolysis. Resources, Conservation and Recycling 29 (2000).
[5] Li A.M. i in.: Experimetal studies on minicipal solid waste pyrolysis in a laboratory-scale rotary kiln. Energy 24 (1999).
[6] Nadziakiewicz J., Wacławiak K., Ścierski W.: Badania produkt€w odgazowania odpad€w. Ochrona Powietrza i Problemy Odpad€w 1/2001.
[7] Park J.W. i in.: A kinetic analysis of thermal degradation of polymers using a dynamic method. Polymer degradation and Stability 67 (2000).
[8] Postrzednik S.: Analiza termodynamiczna procesu odgazowania paliw stałych. Politechnika Śląska. Zeszyty naukowe nr 691. Gliwice 1981.
[9] Ustawa o odpadach z dnia 27 kwietnia 2001, (Dz. U. Nr 62, poz.628).
[10] Wacławiak K. Nadziakiewicz J.: Model matematyczny walcowej komory pirolitycznej. Archiwum Ochrony Środowiska. Vol. 27. No. 4. 2001.
[11] Wacławiak K., Nadziakiewicz J.: Model matematyczny walcowej komory pirolitycznej. Archiwum Ochrony Środowiska. Vol.27. No. 4. 2001.
[12] Wacławiak K.: Problemy z nazewnictwem proces€w termicznego przekształcania odpad€w. Ochrona Powietrza i Problemy Odpad€w 3/2003.
