Rozkład czasu przebywania materiału odpadów na ruszcie posuwistym i posuwisto-zwrotnym urzadzen do termicznego przekształcania odpadów

(1)

and Environmental Protection

http://ago.helion.pl ISSN 1733-4381, Vol. 2 (2005), p-57-68

Rozkład czasu przebywania materiału odpadów na ruszcie

posuwistym i posuwisto-zwrotnym urządzeń

do termicznego przekształcania odpadów

Jaworski T. J.

Politechnika Śląska, Katedra Technologii i Urządzeń Zagospodarowania Odpadów tel.(032) 2372122, fax.(032)2371162

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

Znaczniki (tracers) to substancje chemiczne (proste lub złożone) lub specjalnie oznaczone cząstki badanego materiału, które można łatwo wykrywać (śledzić) w celu badania procesów fizycznych, chemicznych lub biologicznych. Zastosowanie badań znacznikowych w urządzeniach rusztowych spalania odpadów daje możliwość głębszego poznania mechanizmów szeroko rozumianego transportu masy[4]. W pracy przedstawiono wyniki własne badań znacznikowych transportu masy na ruszcie posuwistym i posuwisto-zwrotnym.

Indicative Investigation of Mass Transport in Thermal Transformation of Waste Plants Equipment

Abstract

The results of experiments dealing with mass transport on the forward and reciprocal grate involving trace mass elements were presented in the paper.

1. Wstęp

Przy analizowaniu danych literaturowych odnośnie pracy i badań systemów rusztowych, a w szczególności zachowań materiału na ruszcie zauważyć można, że dużą część badań przeprowadzono w latach 40-ych ubiegłego stulecia. Badania te dotyczyły stabilnego zapłonu, spalania i zwiększonego obciążenia jednostkowego rusztu względem komory spalania. W następnych latach opisywano systemy rusztowe w połączeniu z zjawiskami wytwarzania pary (wymiana ciepła). Dopiero w związku z obróbką termiczną odpadów oraz wymaganiami emisyjnymi utrzymuje się do dziś trwające zainteresowanie nad przemianą materiałów na ruszcie i dokładne zbadanie zachodzących tam procesów. Zaczęto także interesować się ruchem materiału stałego na różnych systemach rusztowych, w sensie jego opisu matematycznego. Dzięki temu, poznane zjawiska zachodzące np. w warstwie na ruszcie, pozwalają uniknąć niechcianych reakcji, oraz niepożądanych zjawisk np. przebić

(2)

powietrza, płomieni skośnych czy obszarów zimnych unosu cząstek. Zauważono także, że w celu zwiększenia przepustowości przy zmiennej objętości masy, ważny jest element ruchomy rusztu – rusztowina. Ruchy rusztu powodują stałe przemieszczanie materiału, co ma korzystny wpływ na jego spalanie. [6]

W przeciwieństwie do innych systemów takich jak np.: piece obrotowe lub reaktory ze złożem fluidalnym, istnieje niewielka wiedza dotycząca zachowania się materiału stałego w czasie przebywania na rusztach przegarniających. Wiele zagadnień takich jak: wzajemne oddziaływanie mieszających się części stałych, czas przebywania tych cząstek, ich prędkości średnie, mieszanie gazów w obrębie warstwy i innych, nie zostało jeszcze zbadane. Dlatego istnieje wciąż wyzwanie wobec przeprowadzenia badań wyjaśniających te zjawiska, jak i prób ich opisu matematycznego.

Można rozróżnić trzy modele i ich kombinacje w celu opisania wypełnionej warstwy materiału na ruszcie (warstwa podlegająca mieszaniu)[3]:

• Modele zjawisk transportu (modele matematyczne, które uwzględniają wszystkie zjawiska związane z zachowaniem się materiału stałego na systemach rusztowych podczas procesu spalania)

• Population Balance Models (metoda opisująca zachowanie się materiału stałego w czasie transportu i mieszania się na systemach rusztowych, za pomocą modelu matematycznego uwzględniającego tylko własności materiału stałego oraz konstrukcję i sposób pracy rusztów)

• Modele empiryczne czyli modele opierające się na doświadczeniach.

Dla szczegółowego opisania zachowania się cząstek stałych podczas transportu i mieszania na rusztach, niezbędne jest znalezienie rozwiązania równania ruchu w całej objętości reakcyjnej. Przy czym tzw. efektywne współczynniki ruchu zmieniają się . Taka procedura nie jest możliwa do zrealizowania, gdyż żaden proces nie może być zbadany w tak precyzyjnych szczegółach. Opierając się na tym został rozwinięty model „Population Balance Method” opisujący matematycznie proces mieszania i zachowania się materiału stałego w czasie przebywania na rusztach w systemach reaktorowych. Parametry funkcji czasu podają informacje odnoszące się do specjalnych frakcji materiału oraz czasu przebywania frakcji w reaktorze. Makro-mieszanie w reaktorze może zostać opisane przy pomocy tej metody. Wystarcza to do opisania w wielu przypadkach, ważnych i wzajemnych oddziaływań między podstawowymi parametrami procesu. Szczególnie w dziedzinie termicznej przeróbki odpadów „Population Balnce Method” charakteryzuje się mniejszym zapotrzebowaniem na dane, a także mniejszą ilością obliczeń, w przeciwieństwie do modeli zjawisk transportu.

Duże znaczenie przy analizowaniu zachowań materiału stałego na ruszcie ma znajomość jego własności fizyko-chemicznych tj.: składu morfologicznego i elementarnego, zawartości części lotnych, wartości opałowej, zawartości wilgoci, gęstości, porowatości, składu frakcyjnego itd. Przykładowo, od znajomości sortymentu (tj. składu morfologicznego odpadów) zależy wysokość warstwy materiału. Z kolei, od wysokości warstwy zależy opór jaki stawia ona przepływowi gazów (koszty transportu pneumatycznego). Wielkość ziarna paliwa oraz sposób jego ułożenia ma również

(3)

znaczenie w procesie spalania. Wielkością, która określa rozmiar cząstek ziarna, jego kształt, stopień jednorodności frakcji, siły szczepialności i skłonność do zatrzymywania powietrza lub gazu przejętego podczas transportu jest aeracyjność. Dla materiałów odpadowych nie można jednak określić wymiarów liniowych, dlatego do wyznaczenia tej wartości stosuje się często metodę opartą na równoważeniu sił ciężkości i oporu aerodynamicznego cząstki w strumieniu przepływającego gazu. Kolejnym ważnym parametrem, który ma wpływ na wysokość warstwy materiału jest kąt zsypu. Określa on kąt pod jakim, w stosunku do poziomu, usypuje się samorzutnie materiał. Przy tym zagadnieniu duże znaczenie mają takie parametry jak: ciężar właściwy materiału, ciężar nasypowy czy gęstość materiału, które m.in. mogą przyczyniać się do obsuwania się samoczynnego materiału.

2. Badania znacznikowe czasu przebywania (RTD) materiału odpadów na ruszcie

Rzeczywisty czas przebywania cząstek materiału na ruszcie jest bardzo ważnym parametrem mającym zasadnicze znaczenie dla zagadnień obliczeniowych. Dla analizy rzeczywistego czasu przebywania cząstek materiału odpadów na ruszcie posłużono się teorią reaktorów. Tylko w idealnych reaktorach okresowych czas przebywania jest jednoznacznie określony i stały dla wszystkich cząstek. Natomiast w reaktorach przepływowych (a takim jest komora spalania z ruchomym rusztem) pojęcie czasu przebywania nie jest tak oczywiste i ma, jak dalej zostanie wykazane, własności zmiennej losowej. W teorii reaktorów rzeczywisty czas przebywania substancji w reaktorze (na ruszcie) jest związany istotnie z charakterem przepływu.

Wyróżnia się dwa skrajne przypadki –tzw. idealne modele przepływu [3]: ♦ przepływ z idealnym wymieszaniem

♦ przepływ tłokowy

Przepływ w reaktorach rzeczywistych, a więc i na rusztach jest czymś pośrednim w stosunku do tych skrajnych przypadków. W rzeczywistości w reaktorach zbiornikowych nie zawsze osiąga się stan idealnego wymieszania, natomiast w reaktorach rurowych wystąpi zawsze w mniejszym lub większym stopniu zjawisko mieszania wzdłużnego bądź dyspersji wzdłużnej, zależne od rodzaju aparatu (rusztu), własności substancji i charakteru przepływu. W aparatach rzeczywistych a więc i rusztach mamy do czynienia z przepływem dyspersyjnym o charakterze bliżej nieokreślonym, różniącym się od modeli idealnych. Ze względów praktycznych ważna jest ocena stopnia zbliżenia do stanu idealnego. Od tego bowiem zależy zgodność wyników obliczeniowych z danymi praktycznymi. Kryterium takiej oceny dają funkcje rozkładu rzeczywistego czasu przebywania (RCP) cząstek na rusztach oraz ich trajektorii. Rzeczywisty czas przebywania τ cząstki na ruszcie jest zmienną przypadkową i podlega określonemu prawu rozkładu, które wyraża się ogólnie funkcją E(τ) tzw. widmo czasu przebywania.

(4)

Rys. 2.1. Stanowisko badawcze -ruszt posuwisty i posuwisto-zwrotny.

Badania transportu i czasów przebywania odpadów na ruszcie zostaną wykonane na stanowisku do prób zimnych rusztów: posuwistego i posuwisto-zwrotnego. Ogólny, uproszczony schemat stanowiska przedstawiono na rys.2. 1. Stanowisko to pozwala na dokonanie analiz zjawisk fizycznych zachodzących podczas transportu w temperaturze otoczenia, czyli przeznaczone jest do przeprowadzenia prób na zimno. Funkcje rozkładu E(τ) wyznacza się stosując metodę typu sygnał (bodziec -odpowiedź. ). Istotą tej metody jest chwilowe zakłócenie ustalonego charakteru przepływu i obserwacja powstałych skutków w czasie, gdy układ wraca do stanu ustalonego. Rolę sygnału w badaniach spełnia odpowiednia substancja wskaźnikowa tzw. traser, którą wprowadza się do strumienia substratów na wejściu na ruszt. W niniejszych badaniach wykorzystuje się sygnał impulsowy.

Dla rusztów posuwistych (reaktorów rurowych) funkcja E(τ) przyjmuje kształt najczęściej krzywej Gausa. Poprzez zmianę parametrów modelowych: typu rusztu, kąta nachylenia, prędkości i długości rusztu oraz własności materiałów odpadowych, (odpady drzewne, tworzywa sztuczne oraz inne, wreszcie różnej granulacji materiału jego składu frakcyjnego) uwzględniając zmianę ich postaci i właściwości w procesie spalania, można otrzymać różne czasy przebywania cząstek na ruszcie. Przykładową analizę, wymagającą szczegółowego rozpracowania przedstawiono w oparciu o interpretację krzywych

(5)

widmowych ruchu cząstek na rusztach rzeczywistych w powiązaniu liczbą Bodensteina – Bo: Dla prawidłowej interpretacji krzywych odpowiedzi wymagane jest ilościowe powiązanie funkcji rozkładu z liczbą Bodensteina. W tym celu należy wyprowadzić równanie bilansowe wskaźnika, którego cząstki biorą udział w przepływie konwekcyjnym i dyspersji wzdłużnej.

2.1. Metodyka badawcza

Badania [5] obejmowały różne warianty połączeń materiałów: badanego i znacznika, oraz zmian takich parametrów konstrukcyjnych pracy rusztu jak: prędkość rusztowin, kąt ich nachylenia i długość rusztu, przy prawie niezmiennym skoku rusztowin. Warianty badawcze przedstawiono w tabelach: 2.1 i 2.2.

Tabela 2.1. Warianty badań dla rusztu posuwistego. Rodzaj materiału badanego Rodzaj materiału użytego jako znacznik Prędkość posuwu rusztowin [mm/s] Kąt pochylenia rusztowin [ o] Długość rusztu[ m ]

Ścinki drzewne Ścinki drzewne 1.8 13 2.3

Ścinki drzewne PE- kulki 1.3 13 2.3

Ścinki drzewne PE-rozety 1.3 13 2.3

Ścinki drzewne PP- ścinki 1.75 13 2.3

Tabela 2.2. Warianty badań dla rusztu posuwisto-zwrotnego.. Rodzaj materiału badanego Rodzaj materiału użytego jako znacznik Prędkość posuwu rusztowin [mm/s] Kąt pochylenia rusztowin [ o] Długość rusztu[ m ]

Wypalona glina Wypalona glina 1.75 26 1.7

(6)

2.2. Matematyczny algorytm obliczeniowy czasu przebywania materiału odpadów na ruszcie-RTD.

Poniżej przedstawiono algorytm obliczeniowy RTD.

E(t), funkcja rozkładu masy materiału na ruszcie w czasie , RTD –rozkład czasu pobytu materiału na ruszcie.

( )

(

)













₋

−

=

tD

ut

L

tD

u

t

E

4 exp

4

2

π

(2.2.1)

Funkcję rozkładu E(t) w postaci bezwymiarowej E(θ) można zdefiniować następująco [1]:

( )

(

)

(

)













Θ

−

Θ

=

Θ

₋ − 1 2 1

₄

1 exp

4

1

L L

Pe

E

π

(2.2.2)

( )

(

)













Θ

−

Θ

=

Θ

− 2 5 . 0

1 exp b

a

E

(2.2.3)

( )

(

)

Θ

−

+

Θ

−

=

Θ

2

1 ln

5 .

0 ln

ln

E

a

b

(2.2.4)

Parametry a i b wyznacza się dla warunków istnienia ekstremum funkcji dwóch z2miennych. gdzie: z = ln E(Θ) x = ln Θ

(

)

Θ

−

=

2

1 y

z = α - 0.5 x + by W = Σ (zi – ln Mi )2 W = Σ (α - 0.5 xi + byi – ln Mi ) 2 (Mi,Θi), i = 1….m

gdzie: m – numer pomiaru, Mi – masa znacznika

o i i

m

M =

(7)

=

δα

δ

W

0

⇒

t

_m

=

0 b

W

δ

b

⇒

rozwiązaniem są obliczone wartości parametrów: a i b

Obliczenia można prowadzić stosując metodę regresji liniowej dla kilku wariantów:

• Wariant 1: Σ Mi = Σ E(Θi) dla i = 1…m (2.2.5) • Wariant 2: Σ E(Θj) = 1 dla j = 1…n (2.2.6) • Wariant 3: Σ Mi = Σ E(Θi) dla i = 1…m (2.2.7) E(Θj) = 1 dla j = 1…n

Dla wariantu 1 ⇒ α (a)

i by i i

e

M

a

₋₀_.₅

ΣΘ

Σ

=

(2.2.8)

i by i

e

a

₋

1

₀_.₅

ΣΘ

=

(2.2.9)

i i by i by i i

e

M

a

₋₀_.₅

1

₋₀_.₅

ΣΘ

+

ΣΘ

Σ

+

=

(2.2.10)

(8)

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,00 50,00 100,00 150,00 Czas [min] R T D

Ruszt posuwisty Ruszt posuwisto zwrotny

Rys. 2.2.1. Rozkład czasu przebywania RTD materiału na rusztach: posuwistym i posuwisto-zwrotnym

Wariancja definiowana jest jako:

( )

2 2 2 m i i i i i t

t

E

t

E

t

+

∆

Σ

∆

Σ

=

σ

(2.2.11)

Dla układu otwartego:

(

4 )

2

2 2 2

+

=

_L L m t

_Pe

Pe

t

σ

(2.2.12)

Z powyższej zależności znajdziemy liczbę Peckleta.[1]

i i i i i m

t

c

t

c

t

∆

Σ

∆

Σ

=

(2.2.13)

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

(9)

2.3. Wyniki badań RTD 0 , 0 0 , 2 0 , 4 0 , 0 0 1 0 0 , 0 0 2 0 0 , 0 0 C z a s m i n R T D 3 , 5 0 m m / s 1 , 7 5 m m / s 0 , 4 3 m m / s

Rys. 2.3.1. Wpływ prędkości rusztowin na czas przebywania materiału dla rusztu posuwistego. 0,00 0,02 0,04 0,06 0,00 50,00 100,00 150,00 Czas [min] R T D 1,75 mm/s 3,50 mm/s 5,25 mm/s

Rys. 2.3.2. Wpływ prędkości rusztowin na czas przebywania materiału dla rusztu posuwisto-zwrotnego.

(10)

0,00

0,20

0,40

0,60

30,00

50,00

70,00

90,00

110,00

Czas [min]

R

T

D

13 stopni

10 stopni

15 stopni

Rys.2.3.3. Wpływ kąta nachylenia rusztowin na RTD na ruszcie posuwistym.

Wyniki badań wariantowych przedstawionych w tabelach 2.1 i 2.2 zilustrowano graficznie na rysunkach-wykresach 2.2.1, oraz 2.3.1 do 2.3.4. Analiza tych wyników daje informacje nt. optymalnego transportu materiału na ruszcie. Wyniki mogą stanowić również podstawę do opisu modelowego transportu masy na ruszcie posuwistym i posuwisto-zwrotnym.

0,00

0,04

0,08

0,12

0,00

50,00

100,00

150,00

Czas [min]

R

T

D

26 stopni

30 stopni

22 stopni

Rysunek 2.3.4. Wpływ kąta nachylenia rusztowin na czas przebywania materiału (RTD) na ruszcie posuwisto zwrotnym.

3. Podsumowanie

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

(11)

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.

Literatura

[1] Levenspiel, O.: „Chemical Reaction Engineering“. John Wiley & Sons Verlag, 3 Auflage 1999,

[2] Szarawara J.,Skrzypek J.:Podstawy inżynierii reaktorów chemicznych, WNT, Warszawa 1980

[3] Beckmann M., Scholz R. Residence Time Behaviour of Solid Material in Grate Systems. 5 th Europeam Conference on Industrial Furnaces and Boiler. Porto,Portugal, 11-14 April 2000.

[4] Iller E. „Teoria badań radioznacznikowych transportu masy w reaktorach chemicznych” Biblioteka Postępów Techniki Jądrowej. Warszawa 1989r.

[5] Jaworski T.:”Residence Time Behaviour of Material on the Grate in Waste Management device”. Archivum Combustionis. Vol.23, 2004 Nr 1,2, str.81-89. [6] Reiman D.,Hammerli H.:“Verbrennungstechnik fur Abfalle in Theorie und Praxis,

Schriftenreihe Umweltschutz, Bamberg, 1995.

(12)