Badanie procesu spalania
Badania spalania wyodrębnionych gatunków morfologicznych odpadów przeprowadzono w temperaturze 1000°C przy przepływie powietrza przez warstwę spalanej substancji. Przebadano próbki o różnej masie w równowagowych warunkach termodynamicznych.
W trakcie badań określono czas odparowania wilgoci i nagrzania próbki do momentu, w którym wydzielają się gazy pirolityczne w ilości niezbędnej do utworzenia mieszanki palnej zdolnej do zapłonu. Ten okres indukcji zapłonu gazów pirolitycznych oznaczony został przez czas zapłonu (τz). Zależność czasu zapłonu badanych gatunków morfologicznych w komorze spalania o temperaturze tp = 1000°C (temperaturę tę przyjęto jako średnią wartość występującą w warunkach termicznej utylizacji odpadów na ruszcie) w zależności od masy próbki przedstawiono na rys. 1.
Czas zapłonu rośnie wraz ze wzrostem masy próbki, co jest zjawiskiem naturalnym przy spalaniu wszelkiego rodzaju paliw. O czasie zapłonu (τz) decyduje głównie zawartość wilgoci (Wr) i szybkość termicznego rozkładu substancji organicznej.
Najistotniejszym parametrem spalonej substancji decydującym o jej czasie zapłonu jest zawartość wilgoci. Czas zapłonu (τz) ustalonej masy próbki rośnie proporcjonalnie ze wzrostem zawartości wilgoci (Wr) w próbie wejściowej. W kotłach przy stałym przesuwie rusztu zapłon poszczególnych frakcji morfologicznych będzie rozciągnięty na znaczną długość rusztu, nawet w stosunku 1:20. Całkowity czas spalania (τc) substancji badanych odpadów w zależności od ich masy przedstawia wykres na rys. 2.
Najkrótszy całkowity czas wypalania substancji odpadów jest charakterystyczny dla pelet i brykietów pochodzących z substancji roślinnych. Całkowity czas wypalania Formowanych Alternatywnych Paliw Energetycznych (FAPE) pochodzących z organicznych substancji roślinnych jest 4–5-krotnie krótszy niż spalania odpadów pochodzących ze skóry, PVC i gumy. Odpady pochodzące z tworzyw sztucznych i osady ściekowe spalają się ok. 1,5 raza dłużej niż pelety i brykiety pochodzenia roślinnego.
Grupa odpadów pochodzących z makulatury, drewna budowlanego, odpadów tekstylnych i odpadów zwierzęcych spala się dwukrotnie wolniej od pelet i brykietów pochodzenia roślinnego, lecz znacznie krócej niż odpady pochodzące ze skóry, PVC i gumy. Jest to szczególnie widoczne w przypadku ustalonego rozdrobnienia odpadów.
W zakresie określonego rozdrobnienia inny całkowity czas wypalania (τc) identycznych masowo, ale niekiedy różniących się geometrycznie poszczególnych struktur morfologicznych odpadów powoduje dezorganizację procesu spalania warstwy wsadu na ruszcie – niezależnie od jego typu. Jednorodna początkowa warstwa paliwa na ruszcie, mająca jednakowy opór hydrauliczny dla przepływającego przez dane strefy powietrza, staje się z powodu różnych szybkości wypalania poszczególnych gatunków morfologicznych warstwą „dziurawą” o strukturze „sera szwajcarskiego”.
Wypalone substancje odpadów stanowią wolne przestrzenie w warstwie paliwa na ruszcie, przez które swobodnie przepływa powietrze prz eznaczone do spalania. Następuje ucieczka powietrza, które nie bierze bezpośredniego udziału w utlenianiu pozostałych części niespalonego paliwa. Powietrze to, bez specjalnych oporów hydraulicznych, przepływa z nadmierną prędkością, powodując dodatkowe obniżenie temperatury nieprzereagowanych karbonizatów i dalsze zmniejszenie szybkości spalania. Nierównomierna szybkość wypalania różnych gatunków morfologicznych wywołuje dezorganizację struktury warstwy spalających się odpadów na ruszcie, co obrazuje rys. 3.
W wyniku takiej dezorganizacji procesu spalania na ruszcie znacznie zwiększa się strata kominowa, ponieważ rośnie ilość powietrza podawanego pod ruszt w celu dopalenia niespalonych części karbonizatu. Część karbonizatu pochodząca z frakcji o najmniejszej reakcyjności w ogóle nie zdąży się spalić na ruszcie, powodując stratę niecałkowitego spalania w żużlu.
W tym przypadku strata niecałkowitego spalania pochodzi głównie z tych struktur morfologicznych odpadów, które charakteryzują się najniższą reakcyjnością i najdłuższym czasem spalania. W zależności od składu morfologicznego odpadu strata ta może być na tyle znaczna, że obniży sprawność termiczną układu kotłowego o kilka procent. Stwarza też kłopot w postaci żużla, który staje się odpadem koniecznym do składowania lub dalszej utylizacji, ponieważ zawierać będzie zawsze ponad 5% części palnych.
