podstawowe operacje technologiczne w utylizacji

Biuro Usług Naukowo-Technicznych
Przedstawicielstwo Maschinenfabrik Gustav EIRICH
TECHNOLOGIE EFEKTYWNEGO SUSZENIA SZLAMÓW PRZEMYSŁOWYCH
1. Wprowadzenie
W procesach przemysłowych takich branż jak szeroko pojęta metalurgia, petrochemia, energetyka i górnictwo powstaje wiele różnych odpadów takich jak pyły z
urządzeń suchego odpylania czy też szlamy z urządzeń odpylających na mokro.
Szlamy powstają również w wyniku nawilżania pyłów w celu ograniczenia wtórnego
pylenia. Odpady te, jakkolwiek różnią się pod względem uziarnienia stałych składników czy też wilgotności, to w większości przypadków pod względem składu chemicznego stanowią cenny materiał, tak dla recyklingu, jak i produkcji nowych użytecznych materiałów np. budowlanych. Recykling szlamów staje się możliwy dopiero po pokonaniu problemów technologicznych związanych z nadaniem im formy
umożliwiającej ich zastosowanie jako materiału wsadowego w określonym cyklu
technologicznym. Wiąże się to z koniecznością nadania tym odpadom formy granulek lub brykietów o akceptowalnej wytrzymałości.
Utylizacja szlamów przemysłowych sprowadza się do pokonania technologicznych problemów związanych z tanim i efektywnym kształtowaniem konsystencji,
wilgotności i uziarnienia materiałów odpadowych. Pokonanie tych problemów
otwiera możliwości efektywnego wykorzystania tych materiałów tak w procesach
recyklingu jak i do produkcji materiałów użytecznych.
W artykule przedstawiono nowe koncepcje efektywnego suszenia i granulacji w
jednym urządzeniu. Przedstawiono też własne doświadczenia w zakresie przerobu
różnego typu odpadów przemysłowych.
2. Przerób odpadów przemysłowych w postaci szlamów
Najogólniej problemy utylizacji szlamów, bez względu na ich skład chemiczny i
fazowy oraz późniejsze zastosowanie, sprowadzają się do takich podstawowych
operacji technologicznych jak:
 mieszanie (proces umożliwiający korektę składu chemicznego),
 suszenie,
 granulacja lub brykietowanie (proces prowadzący do redukcji objętości oraz
nadający przerabianym odpadom korzystne cechy umożliwiające otwarty
transport, składowanie lub recykling).
Te zabiegi, charakterystyczne dla klasycznych technologii ceramicznych, muszą
być przeprowadzone w sposób efektywny technologicznie i tani. Założeniem podstawowym polityki efektywnego zagospodarowania wszelkiego typu odpadów jest
to, aby koszty inwestycyjne i eksploatacyjne instalacji do ich przerobu były możliwie niskie. Te oczekiwania można spełnić upraszczając linię technologiczną do jednego urządzenia, w którym można zrealizować niezbędne zabiegi technologiczne.
W opracowaniach [1-6] przedstawiono zalety stosowania w procesie mieszania i
granulacji intensywnych mieszalników na przykładzie produktów firmy Maschinenul. Różyckiego 5/1, 40-589 Katowice
tel. 721-363-111, 605 342848
www.bunt.katowice.pl
[email protected]
fax 032-2516-147
1
fabrik Gustav Eirich. Umożliwiają one m. in. efektywne obniżenie wilgotności szlamów przez ich homogenizację z odpadami suchymi. Ta bardzo ekonomiczna metoda ma jednak znaczne ograniczenia jakie nakłada odpowiednie ustawodawstwo regulujące zabiegi mieszania różnych odpadów. W wielu przypadkach nie dysponuje
się suchym odpadem nadającym się do zmieszania ze szlamem, a zastosowanie inertnych materiałów (nie odpadowych) zwiększa objętość odpadu po przerobie, co
jest niekorzystne.
Połączenie funkcji mieszania i granulacji z efektywnym procesem suszenia (lub
tylko podsuszania) szlamów w jedną operację technologiczną wychodzi na przeciw
poszukiwaniom coraz to bardziej efektywnych technologii przerobu odpadów pod
kątem ich recyklingu lub utylizacji.
Skojarzenie procesu suszenia z mieszaniem i granulacją.
Znane i stosowane procesy suszenia mogą być podzielone biorąc jako kryterium
podziału sposób dostarczania ciepła i warunki suszenia. Wyróżniamy tu suszenie
konwekcyjne, próżniowe, nagrzewanie przez promieniowanie i konwekcję. Dla
efektywności wykorzystania energii w procesie suszenia ważnym warunkiem jest
rozwinięcie powierzchni kontaktu suszonego materiału i medium grzewczego oraz
szybkość ewakuacji pary wodnej z powierzchni suszonej. Takie warunki mogą być
spełnione w procesie suszenia materiału w czasie jego intensywnego mieszania. Poniżej przedstawiono kilka kolejnych koncepcji wykorzystania mieszalnika jako
urządzenia do suszenia szlamów.
Rys. 1. Schemat instalacji suszenia
konwekcyjnego w systemie
otwartym
Rys. 2. Schemat instalacji konwekcyjnego suszenia spalinami w systemie otwartym
Najprostszy układ (rys. 1.) wykorzystujący mieszalnik intensywny jako przestrzeń wymiany ciepła między wdmuchiwanym powietrzem a silnie napowietrzaną
masą szlamu. Intensywne mieszania rozwija powierzchnię kontaktu fazy gazowej i
fazy stałej i sprzyja procesowi parowania wody zawartej w szlamie.
Zalety:
Wady:
- prosty proces i możliwość zastoso- - emisja pyłów,
wania konwencjonalnych intensyw- - niska sprawność i efeknych mieszalników.
tywność, możliwość usunięcia niewielkich ilości
wody w jednostce czasu.
ul. Różyckiego 5/1, 40-589 Katowice
tel. 721-363-111, 605 342848
www.bunt.katowice.pl
[email protected]
fax 032-2516-147
2
Innowacja w porównaniu z poprzednim rozwiązaniem polega na wykorzystaniu
gorących spalin (ciepło odpadowe) zamiast powietrza o temperaturze otoczenia rys.2.
Zalety:
- prosta technologia i możliwość zastosowanie konwencjonalnego mieszalnika,
- obniżone ciśnienie w komorze suszenia,
- eliminacja emisji pyłów,
- niska temperatura produktu (50-650C).
Wady:
- wysokie zużycie energii,
- niska wydajność procesu,
- niemożliwość zabezpieczenia
przed zapaleniem lub eksplozją,
- problem ekologiczny z gazami
odlotowymi,
- trudna kontrola postępu procesu
suszenia,
- zależność od warunków atmosferycznych,
- brak możliwości kontroli temperatury procesu.
Rys. 3. Schemat instalacji konwekcyjnego suszenia spalinami w systemie
zamkniętym.
Rys. 4. Schemat instalacji konwekcyjnego suszenia gorącym
powietrzem w systemie zamkniętym, próżniowym.
Takie rozwiązanie eliminuje emisję do atmosfery gazów wykorzystywanych w
procesie suszenia i pod tym względem jest znacznie atrakcyjniejsze w aspekcie
ekologicznym.
Zalety:
- prosta technologia
- możliwość zastosowanie
konwencjonalnego mieszalnika,
- obniżone ciśnienie w komorze suszenia,
- eliminacja emisji pyłów,
- niska temperatura produktu
(50-650C),
- eliminacja problemu ekolo-
Wady:
- wysokie zużycie energii,
- niska wydajność procesu,
- niemożliwość zabezpieczenia
przed zapaleniem lub eksplozją,
- trudna kontrola postępu procesu
suszenia,
- zapotrzebowanie na wodę chłodzącą,
- suszenie konwekcyjne – technologia EVACTHERM®
ul. Różyckiego 5/1, 40-589 Katowice
tel. 721-363-111, 605 342848
www.bunt.katowice.pl
[email protected]
fax 032-2516-147
3
gicznego gazów odlotowych,
- kontrola końcowej wilgotności,
- uniezależnienie od warunków atmosferycznych.
Zamknięcie systemu i zastosowanie mieszalnika próżniowego pozwala na wykorzystanie kilku efektów takich jak obniżenie temperatury wrzenia wody i całkowite
„uszczelnienie” instalacji. Praca przy obniżonym ciśnieniu gwarantuje nieprzedostawanie się do otoczenia żadnych oparów, zapachów itp. efektów stanowiących
istotny problem przy przerobie niektórych odpadów – rys.4.
Zalety:
- obniżone ciśnienie w komorze
suszenia,
- eliminacja emisji pyłów,
- niska temperatura produktu
(50-650C),
- eliminacja problemu ekologicznego gazów odlotowych,
- kontrola końcowej wilgotności,
- uniezależnienie od warunków
atmosferycznych,
- możliwość stosowanie gazów
obojętnych,
- małe zużycie gazu obojętnego.
Wady:
- wysokie zużycie energii,
- niska wydajność procesu,
- trudna kontrola postępu procesu
suszenia,
- brak możliwości kontroli temperatury procesu,
- zapotrzebowanie na wodę chłodzącą.
Rys. 5. Schemat instalacji konwekcyjnego suszenia przegrzaną parą w systemie zamkniętym, próżniowy.
Zastąpienie gorącego powietrza przegrzaną parą wodną to kolejny krok w kierunku poprawy efektywności procesu suszenia. Przegrzana para wodna skraplając
się przy styku z zimnym materiałem wyjściowym wydziela ciepło parowania i intensywnie nagrzewa szlam do temperatury wrzenia wody pod nastawionym ciśnieniem
wewnątrz mieszalnika. Mając ponad dwukrotnie wyższe ciepło właściwe jest znacznie lepszym medium do transportu ciepła. W efekcie taka instalacja jest najefektywniejszym systemem suszenia szlamów i przewyższa tradycyjne suszarnie nie tylul. Różyckiego 5/1, 40-589 Katowice
tel. 721-363-111, 605 342848
www.bunt.katowice.pl
[email protected]
fax 032-2516-147
4
ko sprawnością cieplną ale przede wszystkim tym, że produktem suszenia jest granulat, a więc postać bardzo pożądana zarówno przy dalszym recyklingu czy transporcie i składowaniu. Zachodzące w czasie całego cyklu intensywne mieszanie pozwala na przeprowadzenie różnych procesów chemicznych niezbędnych z uwagi na
dalsze postępowanie z obrabianym odpadem.
Zalety:
Wady:
- obniżone ciśnienie w komorze su- zapotrzebowanie na
szenia,
wodę chłodzącą,
- eliminacja emisji pyłów,
- zapotrzebowanie na pa- niska temperatura produktu (50rę,
0
65 C),
- skomplikowana instala- eliminacja problemu ekologicznego cja.
gazów odlotowych,
- kontrola końcowej wilgotności,
- uniezależnienie od warunków atmosferycznych,
- medium suszące para – eliminacja
zapłonu i wybuchu,
- wysoka efektywność suszenia – niskie zużycie energii,
- pełna kontrola temperatury w procesie suszenia i temperatury produktu.
Wydajność procesu suszenia w mieszalniku intensywnym
Wydajność procesu suszenia szlamów wg przedstawionych wyżej koncepcji jest
uzależniona przede wszystkim od warunków odprowadzania wody z suszonego materiału, a więc od ilości materiału znajdującego się w mieszalniku-reaktorze. Dane
zgromadzone w testach badawczych jak i w licznej już praktyce przemysłowej
przedstawiono w tabl. 1.
Tablica 1. Maksymalne ilości odparowanej wody w zależności od technologii i wielkości mieszalnika-reaktora
Wielkość mieszalnika
Eirich
Typ – objętość użyteczna
Ilość odparowanej wody, kg/h
Mieszalnik konwencjonalny
EVACTHERM®
R 02 – 10 l
-
1
R 08 – 75 l
20
25
RV 15 – 7500 l
-
250
RV 19 – 1500 l
250
500
RV 23 – 3000 l
500
1000
-
2500
RV32/DW 32 – 7000 l
ul. Różyckiego 5/1, 40-589 Katowice
tel. 721-363-111, 605 342848
www.bunt.katowice.pl
[email protected]
fax 032-2516-147
5
Rys. 6. Instalacje suszenia i granulacji z zastosowaniem mieszalników RV 32 i RV 19
Suszenie chemiczno-mechaniczne
Do suszenia szlamów odpadowych można w niektórych przypadkach wykorzystać ciepło reakcji chemicznych, które i tak w konkretnych technologiach muszą
być przeprowadzone. Połączenie efektu cieplnego takich procesów z intensywnym
przewietrzaniem mieszanego materiału sprzyja efektywnemu obniżeniu wilgotności, bez konieczności zużycia energii cieplnej.
We wdrożonych już w Polsce instalacjach granulacji mułów węglowych (firma
Haldex SA) jako źródło energii wykorzystuje się reakcję wilgotnego szlamu z wapnem palonym, który to dodatek z jednej trony zapewnia odpowiednią wytrzymałość
granulatu, a z drugiej w procesie spalania jest czynnikiem odsiarczającym spaliny.
Rys. 7. Muł o wilgotności 28,5% i granulat uzyskany przy dodatku 1,5% CaO
Reakcja tlenku wapnia z wodą zawartą w szlamie wiąże chemicznie wodę, a
procesowi temu towarzyszy efekt cieplny. Jedna część wagowa CaO wiąże jedynie
0,32 cz. wag. wody i akceptowalny ekonomicznie dodatek 1-2% CaO nie zapewnia
wymaganej redukcji wilgotności. Efektywne wykorzystanie ciepła reakcji pozwala
na kilkuprocentową redukcję wilgotności, co już wystarcza do doprowadzenia
szlamu do stanu umożliwiającego granulację – rys. 7.
Wydajność procesu suszenia chemiczno-mechanicznego uzależniona jest od
efektu cieplnego reakcji chemicznej. W technologiach utylizacji szlamów zawierających wodorotlenki i węglany wapnia i magnezu ukierunkowanych na produkcję
nawozów sztucznych przeprowadza się reakcje tych szlamów z kwasami siarkowymi
ul. Różyckiego 5/1, 40-589 Katowice
tel. 721-363-111, 605 342848
www.bunt.katowice.pl
[email protected]
fax 032-2516-147
6
i fosforowymi. Efekt cieplny tych reakcji jest tak silny, że problemem jest nie odparowanie wody w celu otrzymania suchego produktu, ale w ogóle kontrola temperatury procesu. Stosując typowe reaktory chemiczne uzyskuje się twardy zbrylony
produkt, który następnie musi być mielony i granulowany. Zastosowanie prezentowanych koncepcji technologicznych umożliwia przeprowadzenie tego procesu w
jednym urządzeniu wykorzystującym technologię Evactherm ®.
3. Podsumowanie
Prowadzenie procesu suszenia czy też tylko podsuszania szlamów odpadowych
w mieszalniku jest efektywnym procesem przygotowania tych odpadów do recyklingu lub utylizacji. Zapewnia wysoką efektywność wykorzystania energii cieplnej ze
źródeł zewnętrznych, a także ciepła reakcji chemicznych. Upraszcza linię technologiczną granulacji do jednego urządzenia i stwarza możliwości wysokiego stopnia
automatyzacji procesu.
Przedstawione wyżej koncepcje są stale rozwijane we współpracy z Działem
Badawczo-Doświadczalnym Maschinenfabrik Gustav Eirich, który to dział oferuje
klientom próby na skalę przemysłową poszczególnych rozwiązań technologicznych.
Technologie te znalazły już cały szereg zastosowań, m. in. opisana wyżej
technologia granulacji mułów węglowych to aktualnie siedem instalacji o łącznej
wydajności 1 mln t/h eksploatowanych na zasadzie umowy licencyjnej przez Haldex SA i CTL Haldex SA.
Rozwiązania te zastosowano w różnych gałęziach przemysłu:
Granulacja zaolejonych mułków zendrowych:
Materiał wyjściowy
Produkt
Wytwarzanie siarczanu magnezu ze szlamu magnezytowego i kwasu siarkowego:
Materiał wyjściowy
Produkt
ul. Różyckiego 5/1, 40-589 Katowice
tel. 721-363-111, 605 342848
www.bunt.katowice.pl
[email protected]
fax 032-2516-147
7
Granulacja hutniczych odpadów poneutralizacyjnych (stabilizacja składników
niebezpiecznych):
Materiał wyjściowy
Produkt
Granulacja szlamów ołowiowych:
Materiał wyjściowy
Produkt
Granulacja odpadowego sorbentu rafineryjnego:
Materiał wyjściowy
Produkt
Granulacja kwaśnych smół:
Materiał wyjściowy
Produkt
ul. Różyckiego 5/1, 40-589 Katowice
tel. 721-363-111, 605 342848
www.bunt.katowice.pl
[email protected]
fax 032-2516-147
8
Granulacja wilgotnego REA gipsu:
Materiał wyjściowy
Produkt
Oferujemy adaptację tych technologii do konkretnych materiałów i
wymagań, co do własności produktu, łącznie z organizacją prób laboratoryjnych i przemysłowych.
4. Literatura
[1] Serkowski S. Procesy utylizacji odpadów przemysłowych występujących w formie pyłów i szlamów – „Ochrona Środowiska i Problemy Odpadów”, 6 (2003),
s. 185-194
[2] J. Blatz, S. Serkowski, „Technologie recyklingu pyłów i szlamów metalurgicznych” HUTNIK-Wiadomości hutnicze, 72(5)2005, s. 288-292
[3] Serkowski S., Rockstein K.: Technologie ceramiczne w utylizacji odpadów
przemysłowych, Konferencja nt. Nowe Technologie i Materiały w Metalurgii i
Inżynierii Materiałowej, Katowice, maj 1998
[4] Serkowski S.: Podstawowe operacje technologiczne w utylizacji odpadów metalurgicznych, Hutnik-Wiadomości Hutnicze, 4, 196–204, 1999
[5] Dürr H.: Economic drying and gentle processing of filter cake and sludge’s with
superheated vacuum steam, Special report, Maschinenfabrik Gustav Eirich
GmbH
[6] Materiały Informacyjne Maschinenfabrik Gustav Eirich
ul. Różyckiego 5/1, 40-589 Katowice
tel. 721-363-111, 605 342848
www.bunt.katowice.pl
[email protected]
fax 032-2516-147
9