CZ24707U1 - Palivo pro cementárny na bázi alternativních spalitelných materiálů se zvýšeným obsahem biomasy - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká zhodnocení odpadů formou bezodpadového materiálového a energetického využití spalitelných složek odpadů a alternativních spalitelných materiálů, získaných tříděním a úpravou komunálního odpadu se zvýšeným obsahem biomasy.

Dosavadní stav technikv

V současnosti stále ještě končí převážná část odpadů na skládkách, aniž by bylo využito jejich materiálového či energetického potenciálu. Představují tak pro životní prostředí dvojí zátěž. Je to za prvé sama jejich existence a objem, který zaujímají na skládkách a za druhé nutnost většího objemu těžby primárních neobnovitelných zdrojů. Kromě toho spalitelné odpady, zejména pak odpady biologického původu podléhají časem biologickému nebo chemickému rozkladu a uvolňují do atmosféry skleníkové plyny jako je CO2 a metan. CO2 se při jejich spálení sice uvolňuje také, avšak navíc je nutno při uložení odpadů na skládku spalovat větší podíl tradičních paliv a produkovat další CO2 navíc. Metan, vznikající jako součást skládkových plynů, má dokonce výrazně větší skleníkový efekt, než CO2. V důsledku toho dochází k mnohem vyšším ekologickým škodám zabíráním půdy, znečišťováním vod a ovzduší, než je nutné a než je pro Životní prostředí únosné.

Podstata technického řešení

Předmětem řešení je přídavné palivo pro bezodpadové využití v technologických zařízeních cementáren a vápenek pro výpal slínku a vápna, dávkované společně se standardním palivem nebo samostatně v množství, představujícím 1 až 90 % tepelného příkonu pece, u kterého jsou složkami alternativní spalitelné materiály, které samy nejsou palivy a/nebo alespoň jeden odpad, přičemž celkový obsah spalitelné složky v alternativním spalitelném materiálu činí minimálně 30 % hmotnostních a minimální výhřevnost tohoto paliva činí 15 MJ.kg'¹ a minimální výhřevnost uvedeného odpadu činí 8 MJ.kg'¹ a obsah spalitelné složky v tomto odpadu činí minimálně 30 % hmotnostních, přičemž nespalitelná složka uvedeného přídavného paliva slouží jako součást surovinové směsi pro výrobu cementářského slínku.

Alternativní spalitelné materiály představují druhotný a často velmi vydatný zdroj energie. Za současného stavu většina těchto materiálů se stává posléze odpadem a jako odpad je ukládána na skládkách bez jakéhokoliv využití jejich energetického potenciálu. Z větší Části - kromě odpadů biologického původu - se jedná o materiály biologicky velmi obtížně odbouratelné, takže pri uložení na skládkách zůstávají po velmi dlouhou dobu nerozloženy a představují tak zátěž pro životní prostředí. Kromě toho zaujímají velký objem a zkracují tak dobu životnosti skládky. Přitom spalování odpadů, zejména odpadů s vysokým obsahem tzv. biomasového uhlíku znamená jednak úsporu fosilních paliv, jednak je přínosem pro omezování globálního oteplování způsobeného nárůstem obsahu CO₂ a dalších skleníkových plynů v atmosféře.

Některé z těchto alternativních materiálů představují pouze druhotný zdroj energie, byť i třeba velmi vydatný (některé odpady papíru a plastů mají výhřevnost jako kvalitní černé uhlí), některé svým nespalitelným podílem jsou významnou součástí surovinové směsi pro výpal cementářského slínku. V některých případech se tato nespalitelná složka může stát velmi důležitým zdrojem např. oxidu železitého v surovině.

Nedostatky současného stavu jsou odstraňovány využitím odpadů ve formě alternativních spalitelných materiálů, přičemž je využíván jejich energetický obsah pri výpalu vápna nebo cementářského slínku. Pri výrobě cementářského slínku se jejich nespalitelná složka stává součástí surovinové směsi a bezodpadově přechází do slínku. Celý pecní systém, sestávající z disperzních výměníků tepla, rotační pece, chladiče slínku, stabilizátoru a elektrostatického odlučovače pra- 1 CZ 24707 Ul chu představuje dokonalý systém pro zachycení a bezodpadové zneškodnění škodlivin, vznikajících při spalovacím procesu.

Jemně rozemletá surovinová moučka, skládající se z vápence a určitého množství příměsí, upravujících chemické složení, vstupuje nejprve do protiproudého systému disperzních výměníků tepla. Tento systém má zpravidla čtyři stupně, na nichž během přímého styku jemně rozemletého vápence s horkými kouřovými plyny dochází k předávání tepla a také k chemickým reakcím vápence se složkami kouřových plynů. V této fázi procesu jsou zachycovány z kouřových plynů kyselé složky - SO₂, CT, F~ a některé další těkavé prvky a sloučeniny. Předehřátá surovina z výměníků vstupuje do vlastní rotační pece a proti proudu kouřových plynů postupuje dále, přičemž její teplota dále stoupá, dochází k tepelnému rozkladu vápence a vzniklý oxid vápenatý reaguje s dalšími složkami surovinové směsi za vzniku slínkových minerálů. Během této fáze se materiál dostává do tzv, slinovacího pásma pece, kdy jeho teplota stoupne natolik, že se v něm objevuje tavenina. Za těchto podmínek dochází ke vzniku hlavních slínkových minerálů a během tohoto procesu se v jejich vznikající krystalové mřížce pevně vážou atomy většiny tzv. těžkých kovů (TK). Tato vazba je velmi pevná a stupeň zachycení TK se blíží hodnotě 100 %.

Přídavné palivo na bázi spalitelných alternativních materiálů může být spalováno v hlavním hořáku rotační pece společně se standardním palivem nebo samostatně v pomocném hořáku v množství představujícím 1 až 90 % tepelného příkonu pece.

Přídavné palivo na bázi samotných neupravených odpadů může být spalováno v hlavním hořáku zo společně se standardním palivem nebo samostatně v pomocném hořáku v množství do 25 % tepelného příkonu pece.

Místo pomocného hořáku je také možno u pecí vybavených předkalcinátorem využít hořáku předkalcinátoru, přičemž přídavná paliva mohou být dávkována společně se standardním palivem,

Vypálený materiál z pece (cementářský slínek) postupuje do chladiče, kde se ochlazuje vzduchem, kterému předává své teplo. Tento ohřátý vzduch z větší části vstupuje do rotační pece jako tzv. sekundární spalovací vzduch.

Kouřové plyny ze systému výměníků tepla postupují přes stabilizátor do elektrostatického odlučovače, kde jsou zbaveny prachu a případného zbytku těkavých těžkých kovů a odcházejí komí30 nem do atmosféry. Zachycený prach se zbytky těkajících TK se vrací zpět do výrobního procesu jako součást surovinové moučky.

Surovinová moučka se ve výměnících tepla postupně ohřívá z normální teploty až na cca 800 °C, přičemž se spaliny naopak ochlazují.

Teplota materiálu v rotační peci dále stoupá, jak materiál postupuje proti proudu spalin k hořáku pece. V nejteplejší části - ve slinovacím pásmu dosahuje až 1450 °C. Dále směrem k výpadu z pece teplota materiálu - slínku klesá až na cca 1200 °C. V chladiči je slínek vzduchem ochlazen na teplotu pod 80 °C.

Hořák zasahuje až 6 m do nitra rotační pece. Teplota v plameni dosahuje 2100 °C, přičemž délka plamene dosahuje až 15 m. Doba zdržení hořícího paliva v plameni je pri běžných rychlostech proudění plynů v rotační peci asi 2 až 3 sekundy podle velikosti zařízení. Teplota a doba zdržení spolu s mímě oxidačním prostředím představují ideální podmínky pro tepelnou destrukci a oxidaci molekul i takových látek jako jsou halogenované uhlovodíky, PCB nebo PCDD a PCDF.

Surovinová směs je směs jemně rozemletého vápence s dalšími přísadami, které upravují chemické složení směsi tak, aby mohly vznikat během výpalu minerály, které jsou v cementu zdro45 jem schopnosti reagovat s vodou za vzniku hydrosilikátů a hydroaluminátů vápenatých. Přísady do surovinové moučky dodávají potřebné oxidy křemíku, hliníku a železa. Surovinová směs je jemný prášek, v důsledku přebytku vápence se tato směs chová silně zásaditě.

-2CZ 24707 Ul

Stínek je materiál ve formě částic kulovitého tvaru, o velikosti 5 až 100 mm. Třebaže obsahuje většinu oxidu vápenatého vázanou ve formě silikátů a aluminátů vápenatých, jeho chování je také silně zásadité.

Vyzdívka je v chladnějších částech pece je zhotovena ze šamotových cihel se slabě kyselou reakcí. V pásmu vyšších teplot je pak zhotovena z magnezitových nebo chrommagnezitových cihel a má alkalickou reakci.

Celkově prostor uvnitř pece včetně vypalovaného materiálu tak má výrazně alkalickou reakci.

Spalování v cementářské rotační peci probíhá za minimálního nutného přebytku vzduchu. Proto pecní atmosféra v celém objemu pece je oxidační.

Výměníkový systém jako celek funguje jako protiproudý systém. Jednotlivé stupně výměníkového systému jsou zároveň vlastně cyklonovými odlučovači, v nichž předehřívaný materiál postupuje v souproudu se spalinami. Mezi tuhou fází a kouřovými plyny dochází k intenzivnímu kontaktu. Výměníkový systém tak plně nahrazuje druhý stupeň čištění kouřových plynů s mnohem vyšší účinností než je tomu u komerčních zařízení tohoto druhu ve spalovnách (polosuchá vypírka vápenným mlékem).

Během postupu surovinové moučky výměníkovým systémem dochází k zachycování některých složek kouřových plynů na surovinové moučce. Díky své zásadité reakci a velkému reakčnímu povrchu surovinová moučka intenzivně zachycuje kyselé složky jako oxidy síry, chloridové a fluoridové ionty a pevně je chemicky váže. Kromě toho se zachycují i některé těkající kovy, které nebyly zachyceny již v peci tím, že na chladnějších částicích kondenzují a postupně se chemicky vážou.

Ve slinovacím pásmu pece, kde teplota slinující suroviny dosahuje okolo 1450 °C, v přítomnosti taveniny dochází v surovině k chemickým reakcím, kdy vznikají slínkové minerály, V této fázi jsou do jejich krystalové mřížky pevně vázány s výjimkou Tl a Hg prakticky veškeré těžké (jinak také toxické) kovy.

Pecní linky jsou vybaveny účinnými elektrostatickými odlučovači se stabilizátory, odpovídajícími tzv. prvnímu stupni čištění kouřových plynů ve spalovnách. Odlučivost těchto zařízení dosahuje až 99,9 %. Spolu s TZL jsou pak zachycovány všechny další znečišťující látky v nich vázané se stejnou účinností. V elektrostatickém odlučovači mají plyny i tuhé částice teplotu pod 180 °C, takže zde kondenzují na prachových částicích i těkající TK jako je Hg a Tl. Funkce výměníkového systému pri čištění spalin již byla popsána v předchozích odstavcích. Spolu s teplotou a vlastnostmi plamene hořáku představuje cementářská rotační pec s disperzními výměníky tepla optimální zařízení k ekologicky šetrnému způsobu dokonalého tepelného a materiálového využití hořlavých odpadních materiálů.

Výroba síínku v cementářské rotační peci je bezodpadovou technologií. Podmínky spalování v cementárských a vápenických pecích jsou takové, že je možno spalovat alternativní materiály v širokém rozsahu složení, původu a vlastností bez rizika pro životní prostředí. Proces je charakterizovaný vysokou filtrační schopností protiproudně se pohybujících částic, obsahujících kromě CaCO₃ i volné CaO. Tyto částice díky intenzivnímu styku s kouřovými plyny jsou schopny zachytit ze spalin veškeré kysele reagující složky, jako jsou SO₂, Cl, F a další. Kromě toho hlavně ve stabilizátoru a elektrostatickém odlučovači slouží jako kondenzační jádra, na nichž se účinně zachycují i sloučeniny „těkajících“ těžkých kovů jako je Hg a Tl. Ostatní těžké neb také toxické kovy se váží do krystalové mřížky slínkových minerálů s účinností více jak 95 % tak pevně, že se ani ze ztvrdlého betonu, vyrobeného z takového cementu neuvolňují a výluhy z takového betonu splňují požadavky na pitnou vodu. Teplota plamene společně s dobou zdržení paliva v plameni umožňuje také dokonalou destrukci a vyhoření všech organických látek včetně PCB a chlorovaných uhlovodíků.

Výhoda popsaného zhodnocení různých odpadů ve formě alternativních paliv spočívá v bezodpadové destrukci organických látek a v intenzivním a vysoce účinném zachycení těžkých kovů a

-3CZ 24707 Ul kyselých škodlivin, čímž je umožněna úspora přírodních neobnovítelných zdrojů paliv a surovin a redukce objemu odpadů, ukládaných na skládky při minimálním riziku pro životní prostředí a zdraví obyvatelstva.

Příklady provedení

Příklad 1

Alternativní palivo, jehož hlavními složkami jsou kaly z rafinace ropy kyselinou sírovou, hnědouhelné multiprachy a vápenné nedohasky k neutralizaci zbytků kyseliny, je spalováno tak, že je přidáváno ve stanoveném poměru k hlavnímu palivu černému uhlí pri jeho mletí ještě před jeho vstupem do mlýna, společně s uhlím semleto a pneumaticky dopraveno do hořáku cementářské rotační pece, takže dojde kjeho dokonalému spálení, přičemž se veškeré znečišťující látky jako jsou uhlovodíky alifatické i aromatické, chlorované i nechlorované pri zdržení se v pásmu teplot nad 1200 °C po dobu delší jak 2 sekundy degradují a shoří na jednoduché oxidy a Cl se váže na CaO a alkálie, nebo jako těžké kovy se vážou v mřížce simko vých minerálů, nebo jako další kyselé složky (F, Cl, SO2) se vážou na částice suroviny obsahující volné CaO během předehrivání suroviny ve výměnících tepla a veškerý nespalitelný podíl se přitom stává součástí vznikajícího cementářského slínku.

Příklad 2

Případ, kdy jako alternativní palivo slouží opotřebené pneumatiky, dávkované společně s předehřátou surovinou do přechodové komory rotační cementářské pece a po jejich spálení ocelový kord, obsažený v pneumatikách slouží jako korekční železitá příměs v surovině, přičemž vznikající kyselé složky kouřových plynů jsou zachycovány částicemi jemně rozemleté a zčásti kalcinované suroviny, obsahujícími jako aktivní složku volné CaO, takže do ovzduší tyto znečišťující látky neunikají.

Příklad 3

Případ, kdy jako alternativní palivo slouží vysušené granulované kaly z biologické čistírny odpadních vod, dávkované společně s hlavním palivem přes hlavní hořák nebo pomocí vedlejšího hořáku tak, aby bylo spalováno společně s hlavním palivem a veškeré nespalitelné podíly včetně škodlivin jako jsou těžké kovy, byly zachycovány ve slínku ještě ve slinovacím pásmu rotační pece a veškeré organické látky byly degradovány a spáleny na jednoduché oxidy a nemohly jako znečišťující látky unikat do ovzduší a nespalitelný podíl je významným zdrojem oxidů křemičitého a hlinitého jako základní složky slínkových minerálů.

Příklad 4

Případ, kdy jako přídavné palivo slouží energeticky bohaté alternativní palivo na bázi plastových odpadů, získané jejich drcením a následnou granulací.

Příklad 5

Případ, kdy jako přídavné palivo slouží tuhý komunální odpad nebo jeho vytříděný tzv. lehký podíl, upravené případně dále sušením, drcením a granulací, přičemž jejich nespalitelný podíl je významným zdrojem oxidů křemičitého a hlinitého jako základní složky slínkových minerálů.

Příklad 6

Případ, kdy jako přídavné palivo slouží odpadní bělící hlinky z rafinace tuků nebo ropných produktů, přičemž oxid křemičitý z nespalitelného podílu částečně nebo úplně nahrazuje méně reaktivní oxid křemičitý z běžně používaného křemičitého písku jako zdroje oxidu křemičitého.

-4CZ 24707 Ul

Příklad 7

Případ, kdy přídavné palivo obsahuje navíc zvýšený podíl složek s vysokým obsahem biomasového uhlíku jako jsou vytříděné součásti komunálního odpadu biologického původu, dřevní odpad, jinak nevyužitelný starý papír, textil z přírodních vláken, přírodní kaučuk a jiné odpady ze spalitelných přírodních materiálů a výrobků tyto materiály ve zvýšené míře obsahující.

Průmyslová využitelnost

Odpady přepracované do formy alternativního paliva jsou použitelné jako náhrada přírodních standardních paliv v cementárnách s výhodou jejich bezodpadového zneškodnění, přičemž jejich nespalitelná složka tvoří součást výrobku - cementu nebo tvoří důležitou korekční složku suroviio nové směsi, čímž dochází k jejich současnému energetickému i materiálovému úplnému využití.

Využitím odpadů s vysokým podílem biomasového uhlíku je významným způsobem snižována spotřeba neobnovitelných energetických zdrojů a produkce skleníkových plynů a tak je omezován vliv spalovacích procesů na globální oteplování.

Claims (7)

1. NÁROKY NA OCHRANU is 1. Přídavné palivo pro bezodpadové využití v technologických zařízeních cementáren a vápenek pro výpal slínku a vápna, dávkované společně se standardním palivem nebo samostatně v množství představujícím 1 až 90 % tepelného příkonu pece, vyznačující se tím, že jeho složkami jsou alternativní spalitelné materiály, které samy nejsou palivy a/nebo alespoň jeden odpad, přičemž celkový obsah spalitelné složky v tomto palivu činí minimálně 30 % hmot20 nostních a minimální výhřevnost tohoto paliva činí 8 MJ.kg'¹ a minimální výhřevnost uvedeného odpadu činí 8 MJ.kg’¹ a obsah spalitelné složky v tomto odpadu činí minimálně 30 % hmotnostních, přičemž jeho nespalitelná složka slouží jako součást surovinové směsi pro výrobu cementářského slínku.
2. 2. Palivo podle nároku 1, vyznačující se tím, že jednu nebo více jeho složek tvoří

   25 spalitelný odpad.
3. 3. Palivo podle nároku 1, vyznačující se tím, že je tvořeno vytříděnou a podrcenou složkou komunálního odpadu.
4. 4. Palivo podle nároku 3, vyznačující se tím, že vytříděná a podrcená spalitelná složka komunálního odpadu je granulovaná.

   30
5. 5. Palivo podle nároku 1, vyznačující se tím, že uvedené alternativní spalitelné materiály jsou tvořeny upravenými a přepracovanými průmyslovými odpady.
6. 6. Palivo podle nároku 5, vyznačující se tím, že uvedený odpad je tvořen vysušeným a granulovaným kalem z biologického čištění komunálních splaškových vod.
7. 7. Palivo podle nároků 1, 2 a 5, vyznačující se tím, že je obsahuje zvýšený podíl

   35 složek s vysokým obsahem biomasového uhlíku.