Spalanie odpadów komunalnych w kotłach rusztowych (cz. 2)

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 (τ_z) decyduje głównie zawartość wilgoci (W_r) i szybkość termicznego rozkładu substancji organicznej.

Najistotniejszym parametrem spalonej substancji decydującym o jej czasie zapłonu jest zawartość wilgoci. Czas zapłonu (τ_z) ustalonej masy próbki rośnie proporcjonalnie ze wzrostem zawartości wilgoci (W_r) 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 (τ_c) 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 (τ_c) 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.

Charakterystyki fizyczne popiołu z różnych odpadów

Zachowanie się substancji popiołu podczas procesu spalania (jakiegokolwiek paliwa stałego) określają charakterystyczne temperatury popiołu w trakcie procesu spalania. Niezależnie od metody wyznaczenia charakterystycznych temperatur oznaczenie takie sprowadza się do określenia temperatury:

• spiekania (t_s),
• mięknienia (t_m),
• topnienia (t_t),
• płynięcia (t_p).

Temperatury charakterystyczne dla popiołu badanych struktur morfologicznych odpadów przedstawione zostały w tab. 1.

Charakterystyczne temperatury popiołu są ściśle uzależnione od składu chemicznego substancji mineralnej spalanych struktur morfologicznych odpadów. Temperatury popiołu ulegają szczególnemu obniżeniu wówczas, gdy w substancji mineralnej występują duże ilości sodu (Na) i potasu (K). Ponieważ odpady pochodzenia roślinnego i zwierzęcego zawierają największą ilość Na i K, charakterystyczne temperatury ich popiołów są niskie. Temperatura mięknienia odpadów pochodzenia roślinnego wynosi około 710°C, odpadów mięsnych 890°C, a odpadów kostnych 950°C.

Istotne znaczenie mają również temperatury topnienia i płynięcia popiołu odpadów roślinnych i zwierzęcych – zawierające się w przedziale 900–1150°C. Niskie wartości tych temperatur, szczególnie w przypadku odpadów kostnych, wywołują istotną dezorganizację procesu spalania odpadów o niskiej reakcyjności. Powstaje bowiem sytuacja, gdy płynna substancja popiołu pochodzącego ze spalania odpadów kostnych zatapia niespalony karbonizat pochodzący np. z odpadów gumowych czy tekstylnych.

Oblepione płynnym popiołem ziarna karbonizatów są zatopione wewnątrz powłoki żużlowej. Proces spalania zostaje przerwany, a wewnątrz powstaje niedopał w postaci niespalonego karbonizatu, co dokładnie obrazują zdjęcia fragmentu żużla pobranego spod rusztu kotła rusztowego w spalarni odpadów w Warszawie (fot. 1).

Przedstawiona dokumentacja zdjęciowa obrazuje charakterystyczny przypadek spalania odpadów komunalnych składających się z różnych gatunków morfologicznych, zarówno pod względem substancji organicznej, jak i substancji mineralnej. Różnice pomiędzy poszczególnymi strukturami morfologicznymi występują praktycznie we wszystkich charakterystykach mających wpływ na proces spalania. Są one na tyle znaczne, że trudne do przewidzenia są skutki wzajemnie nakładających się lub znoszących efektów fizykochemicznych. 

Podsumowując, różnorodność zjawisk przebiegających podczas spalania poszczególnych struktur morfologicznych oraz ich przesunięcia czasowe powodują nakładanie się niekorzystnych efektów fizykochemicznych, które prowadzą do powstania straty niecałkowitego spalania w żużlu oraz wzrostu straty kominowej spowodowanej niekontrolowanym przepływem „fałszywego” powietrza przez te fragmenty rusztu, w których nastąpiło wcześniejsze wypalenie najbardziej reakcyjnych odmian morfologicznych odpadów. 

Analiza koloru warstw poszczególnych aglomeratów żużlowych pokazanych na fot. 1 pozwala dokładnie prześledzić historię przebiegu procesu spalania. Zatopiony wewnątrz karbonizat na pewno pochodził z odmiany morfologicznej, która całkowicie uległa procesowi odgazowania, ponieważ powłoka stopionego żużlu jest jednolita, bez śladów penetracji wydzielających się gazów pirolitycznych. Istnieje duże prawdopodobieństwo, że zatopiony karbonizat pochodzi z odpadów gumowych lub z PVC. Kolor i struktura warstwy oblepiającej karbonizat wskazuje na odpad pochodzący z kości zwierzęcych. Dalsze warstwy spieku mogą już pochodzić z dowolnej odmiany morfologicznej odpadów. Badanie innych dowolnie wybranych spieków całkowicie potwierdza przedstawioną analizę. 

Wnioski

Spalanie mieszaniny odpadów komunalnych w kotłach rusztowych jest procesem niecałkowitym i zawsze prowadzi do niecałkowitego spalania i obecności niespalonych części (paliwa) odpadów w żużlu, zwykle przekraczających 5% udziału masowego żużla. Powstaje w ten sposób odpad, który musi być składowany na specjalnych składowiskach lub przeznaczony do dalszej utylizacji. Wielkość niedopału jest w dużej mierze zależna od składu morfologicznego odpadów i może nawet przekraczać 20%.

Przedstawione wyniki badań fizykochemicznych i kinetycznych wybranych (podstawowych) odmian morfologicznych odpadów w sposób jednoznaczny wykazały, że nie można prowadzić procesu termicznej utylizacji odpadów komunalnych stanowiących (dowolną) mieszankę różnych struktur morfologicznych jednocześnie podczas ciągłego procesu przebiegającego w jednej przestrzeni reakcyjnej rusztu.

Spalanie odpadów komunalnych w kotle rusztowym powoduje znaczy wzrost straty kominowej (S_k) i straty niecałkowitego spalania w żużlu (Snz), powodujących obniżenie sprawności termicznej kotła nawet o kilka procent.

Termiczna utylizacja odpadów komunalnych, aby była wysoce sprawna termicznie i bezpieczna ekologicznie, musi przebiegać w warunkach rozdziału w czasie i przestrzeni procesów termicznego rozkładu odpadów oraz spalania gazów pirolitycznych i karbonizatu.

Literatura

1. Bernacka J., Pawłowska L., Zagospodarowanie i wykorzystanie osadów z miejskich oczyszczalni ścieków. Wybrane problemy, IOS, Warszawa 1994.
2. Siuta J., Problemy i program gospodarowania osadami ściekowymi w oczyszczalni ścieków w Częstochowie, materiały na seminarium naukowo-techniczne „Przyrodnicze użytkowanie osadów ściekowych”, Warszawa, październik 1994.
3. Siuta J., Pawłowska L., Wytyczne do przyrodniczego zagospodarowania osadów z oczyszczania ścieków komunalnych i komunalno-przemysłowych, IKŚ, Warszawa 1980.
4. Kempa E., Przyszłościowa gospodarka osadami, materiały konferencji naukowo-technicznej „Problemy gospodarki osadowej w oczyszczalni ścieków”, Częstochowa 1993.
5. Karcz H., Butmankiewicz T., Andryjowicz C., Sposób i instalacja termicznej utylizacji osadów ściekowych.
6. Peters W., Kinetik heterogenez Reaktionen bei der Verbrennung fester Brennstoffe, VDI Berichte nr 146/1970.
7. Loison R., Chauvin T., Pyrolise rapide du charbon, „Chimie et Ind.” No. 91/1964.
8. Badzioch S., Hawksley P.G.W., Kinetiks of Thermal Decomposition of Pulverized Coal Particles, „Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev.” Vol. 9, No. 4/1970.
9. Nsakala Ya Nsakala, Essenhight R.H., Walker P.L. Jr., Studies on Coal Reactivity: Kinetics of Lignite Pyrolysis in Nitrogen at 800°C, „Combustion Science and Technology” Vol. 16/1977.
10. Pająk T., Spalanie odpadów komunalnych – potrzeby, realia, perspektywy budowy. Termiczne unieszkodliwianie odpadów. Restrukturyzacja procesów termicznych, praca zbiorowa pod redakcją J.W. Wandrasza, Wyd. Futura, Poznań 2007.
11. Ściążko M., Zawada J., Pronobis M., Zalety i wady współspalania biomasy w kotłach energetycznych na tle doświadczeń eksploatacyjnych pierwszego roku współspalania biomasy na skalę przemysłową, „Energetyka i Ekologia” nr 2/2006.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!