Brykietowanie odpadów bazaltowych

Politechnika Śląska
Wydział Chemiczny
Katedra Chemii, Technologii Nieorganicznej i Paliw
Minimalizacja odpdów
Technologia chemiczna Dąbrowa Górnicza sem. VI
Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych
Brykietowanie odpadów bazaltowych
Prowadzący: dr inŜ. Andrzej Koszorek
dr Tomasz Siudyga
Miejsce: Gliwice, ul. B. Krzywoustego 6 p. 21
Brykietowanie odpadów bazaltowych
WSTĘP
W ostatnich latach, wraz ze wzrostem znaczenia ochrony środowiska pojawia się
tendencja do opracowywania technologii bezodpadowych. Jednym z przykładów jest
produkcja wełny mineralnej z wykorzystaniem surowców odpadowych.
Stosowana obecnie technologia produkcji wełny mineralnej oparta jest na topieniu
surowca, głównie bazaltu o uziarnieniu 60 – 120 mm w piecu szybowym, a następnie na
rozwłóknianiu otrzymanego stopu (lawy mineralnej) na rozwłókniarkach wielowałkowych.
Powstają przy tym odpady stałe, których ilość waha się w granicach 20 – 30 %. Odpady tę są
na ogół zanieczyszczone Ŝywicami fenolowo – formaldehydowymi, pochodzącymi z dalszych
procesów formowania mat, a zatem ich składowanie podlega specjalnym rygorom i jest
bardzo kosztowne. Istnieje kilka koncepcji utylizacji tych odpadów. Jedna z nich to
recyrkulacja. Stwierdzono, Ŝe odpady bazaltowe są bardzo dobrym surowcem do wytwarzania
wełny mineralnej, gdyŜ nie zawierają tlenków Ŝelaza i posiadają wyŜszy stopień zeszklenia.
Ich wadą jest ich zbyt drobne uziarnienie, jak równieŜ niejednorodność kształtu form
krzemionkowych. Ponowne ich zastosowanie jako surowca w piecu szybowym wymaga ich
scalania w materiał o odpowiedniej kawałkowatości i wytrzymałości. Proponuje się zatem
brykietowanie odpadów. Jako spoiwa stosowane są gliny z dodatkiem smół węglowych, ługi
posulfitowe, szkło wodne, glikocel (sól sodowa karboksymetylocelulozy, uŜywana równieŜ
jako klej do tapet), a takŜe typowe spoiwa budowlane, takie jak cement i jego mieszaniny z
wapnem hydratyzowanym. KaŜde z lepiszcz ma swoje wady i zalety. Z punktu widzenia
ochrony środowiska nie zaleca się stosować smoły koksowniczej (emisja WWA), oraz ługu
posulfitowego (emisja SO2). Z technologicznego punktu widzenia trudnym do zastosowania
w praktyce jest cement, gdyŜ wiąŜe ze sobą gotowe brykiety. Z kolei wapno hydratyzowane
jest zbyt słabym środkiem wiąŜącym.
Dlatego teŜ w praktyce stosuje się rozwiązania dalekie od idealnych. Ostatnio
wdroŜono brykietowanie odpadów bazaltowych przy pomocy ługu posulfitowego, ze względu
na niskie koszty spoiwa. Doświadczenia przemysłowe wykazały, Ŝe brykiety takie wykazują
bardzo wysoką wytrzymałość mechaniczną, natomiast są nieodporne na działanie sił
ściernych.
-2-
Brykietowanie odpadów bazaltowych
CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest znalezienie zaleŜności wytrzymałości brykietów od takich
parametrów ich wytwarzania jak udział lepiszcza i uziarnienie odpadów bazaltowych.
Zastosowana będzie technika eksperymentu planowanego. Eksperyment stosuje się wtedy,
gdy chcemy ograniczyć ilość doświadczeń do niezbędnego minimum, a jednocześnie wiemy,
Ŝe wpływ zmiennych niezaleŜnych posiada charakter empiryczny. Ogólnie wiadomo, Ŝe przy
pewnych innych stałych parametrach wytwarzania brykietów (udział wilgoci, temperatura
brykietowania, siła nacisku w procesie prasowania itp.) wpływ udziału lepiszcza na
wytrzymałość brykietów moŜna opisać parabolą II – stopnia, a optymalna ilość lepiszcza jest
uzaleŜniona od stopnia rozdrobnienia materiału. Tak więc wybrane czynniki (udział lepiszcza
i rozdrobnienie brykietowanego materiału) wpływają na cechę wypadkową według równania
II – stopnia z interakcją:
W = a0 + a1 x1 + a2 x2 + a1,1 x12 + a2, 2 x22 + a1, 2 x1 x2
(1)
gdzie:
W
- wytrzymałość brykietów, %,
x1
- udział masowy lepiszcza, % m/m,
x2
- stopień przemiału odpadów, udział ziaren poniŜej 3 mm, % m/m,
a0 do a1,2 - współczynniki wielomianu, które wyznacza się na drodze doświadczalnej,
odpowiednio programując cykl badań.
W wyniku redukcji członów nieistotnych wielomian aproksymujący (1) moŜe ulec
uproszczeniu do 4 lub 5 członów. Ekstremum funkcji (1) otrzymujemy rozwiązując układ
równań:
W
=0
x1
i
W
=0
x2
(2)
Ćwiczenie kończy się ustaleniem matematycznej zaleŜności (1) przy pomocy
statystycznego programu komputerowego.
OPIS ĆWICZENIA
Surowcem do ćwiczeń jest odpad bazaltowy o uziarnieniu 100 % poniŜej 10 mm.
Przygotowano trzy próbki odpadu o róŜnej zawartości ziaren < 3 mm (w nawiasach podano
wartości zmiennych niezaleŜnych w formie zredukowanej):
-3-
Brykietowanie odpadów bazaltowych
1)
87,7 %
(-1)
2)
93,9 %
(0)
3)
100 %
(+1)
PowyŜsze próbki naleŜy zbrykietować, stosując jako lepiszcze ług posulfitowy. Ilość
uŜytego lepiszcza powinny wynosić:
a)
7,5 %
(-1)
b)
10 %
(0)
c)
12,5 %
(+1)
Zredukowane zmienne niezaleŜne x1 = 0 i x2 = 0 stanowią centrum planu. W planie
zrezygnowano z 2 punktów kontrolnych oraz 9 powtórzeń.
Po ustaleniu receptur kolejność wytwarzania brykietów naleŜy wyznaczyć losowo.
Otrzymanych zostanie dziewięć brykietów, których parametry wytrzymałościowe
pozwolą na utworzenie macierzy doświadczalnej:
Ilość lepiszcza
7,5%
10%
12,5%
87,7% < 3 mm
W1
W4
W7
93,9% < 3 mm
W2
W5
W8
100% < 3 mm
W3
W6
W9
Uziarnienie
W1 – W9 - parametry wytrzymałościowe wytworzonych brykietów
WYKONANIE ĆWICZENIA
1. Brykietowanie odpadów
Do zlewki odwaŜyć na wadze technicznej 30 g uśrednionego odpadu bazaltowego
o określonym uziarnieniu. Następnie dodać odpowiednią ilość ługu posulfitowego:
dla
7,5 %
-
2,4 g
10 %
-
3,3 g
12,5 %
-
4,3 %
Materiał sypki dokładnie wymieszać z lepiszczem, a następnie zbrykietować przy
uŜyciu prasy laboratoryjnej, stosując ciśnienie 2 MPa. KaŜdy brykiet natychmiast po
wytworzeniu włoŜyć do suszarki nagrzanej do temperatury 105°C, na przeciąg 1 godz. W celu
-4-
Brykietowanie odpadów bazaltowych
sezonowania. Po upływie czasu sezonowania oznaczyć parametry wytrzymałościowe
brykietów.
2. Badanie parametrów wytrzymałościowych
Do określenia parametrów wytrzymałościowych brykietów stosuje się laboratoryjny
bęben Rogi. ZwaŜony brykiet bębnuje się przez 3 minuty. Po tym czasie zawartość bębna
przenieść na sito o średnicy oczek 3 mm o określić procentową ilość frakcji ziarnowej
pozostałej na sicie. Wyliczone wartości wstawić do macierzy doświadczalnej.
3. Przebieg analizy regresyjnej
Współczynniki wielomianu (1) zostaną wyznaczone dwiema metodami, przy pomocy
programu statystycznego STATGRAPHICS.
Kolejność działań:
1) Utworzyć plik danych w: A. Data Management,
2) Uruchomić procedurę w: K. Regression Analysis
– uruchomić opcję: 3. Multiple Regression (metoda I): zredukować człony
nieistotne przy pomocy warunku: poziom istotności →0,
– uruchomić opcję: 4. Stepwise Variable Selection (metoda II): redukcję członów
nieistniejących przeprowadzić metodą ”Backward”
Uruchomienie procedur, opcji (punktów menu) następuje przez wciśnięcie klawisza
„ENTER”.
3) UłoŜyć układ równań (2) i go rozwiązać (o ile taki istnieje).
Zestawienie wyników obejmuje:
a. analityczna postać wzoru (1) w dwóch wersjach,
b.
wyznaczenie ekstremum funkcji (1) układem równań (2).
-5-