CZ293242B6

CZ293242B6 - Způsob zpracování papírenského mletého kalu a obdobného organického kalu

Info

Publication number: CZ293242B6
Application number: CZ1997587A
Authority: CZ
Inventors: Timothy M. Nechvatal; Thomas J. Jansen
Original assignee: Minergy Corp.
Priority date: 1994-08-26
Filing date: 1995-08-17
Publication date: 2004-03-17
Also published as: CN1157652A; DE69519931D1; EE03405B1; CA2197229A1; CN1125265C; EP0777838B1; GR3035560T3; ATE198789T1; RU2142098C1; JPH10505662A; WO1996007054A1; CZ58797A3; FI970790A7; KR100313624B1; HUT76736A; JP3349705B2; FI970790A0; PT777838E; KR970705727A; PL318811A1

Abstract

Způsob zpracování papírenského mletého kalu a obdobného organického kalu s vysokým obsahem popílku spočívá v tom, že se dodává kal spolu s palivem z druhého zdroje do cyklonové pece, načež se kal s palivem z druhého zdroje spaluje při rekuperaci tepla obsaženého v kalu a zpracovává se popílek obsažený v kalu na strusku. Roztavená struska se odlévá do forem a ochlazuje za vzniku tvrdých, pevných a odolných výrobků.ŕ

Description

Oblast techniky

Vynález se týká úpravy odpadu, zejména úpravy kalu s vysokým obsahem organických částic a výrazným podílem popílku, jako je papírenský mletý kal.

Dosavadní stav techniky

Papírny a celulózky produkují velké množství výrobního odpadu, známého jako kal. Většinou se tento kal zaváží a zasypává. S narůstajícím nedostatkem skládek a přísnějšími pravidly ochrany životního prostředí se tento způsob likvidace prodražuje a stává se nevýhodným.

Kal z výroby recyklovatelného papíru představuje větší problém při jeho ukládání než kal ze standardní papírenské výroby. Kal z recyklovatelného procesu obsahuje značné množství vláken a papírového povlaku. Množství kalu vzniklé při výrobě z recyklovatelného papíru je větší než množství kalu vzniklého ze surové vlákniny. Zavedení rozmetání na široko recyklovatelného papíru má za výsledek zvýšení celkového množství kalu.

Alternativou zavážení je spalování rozemletého papírového kalu s použitím technologie fluidizačního roštu. Při spalování kalu se rekuperuje jeho tepelný obsah, odpařuje se vlhkost a snižuje se množství odpadu, přičemž vzhledem k velkému množství popílku, obsaženého v papírenském rozemletém kalu, stále zůstává nepotřebný odpad, který se ukládá například zavážením.

Cyklonové pece jsou využívány po mnoho roků pro spalování uhlí v parních kotlích. Podstatou cyklonových pecí je to, že vytvářejí strusku, která má skleněnou konzistenci. Struska z uhelných cyklonových ohříváků je využívána jako konstrukční materiál pro silnice, jako abrazivo nebo brusivo a pro střešní krytiny.

Cyklonové pece jsou rovněž určeny pro spalování uhlí, jehož kvalita není vhodná pro pece na práškové uhlí, rovněž jsou využívány pro spalování tuhého hořlavého odpadu v podobě přídavného paliva nebo popřípadě pro spalování olejového paliva nebo plynů jako primárního nebo zážehového paliva. Pokud je užit tuhý odpad s uhlím, má takovéto doplňkové palivo relativně nízký obsah popílku a tvoří méně než dvacet procent vstupního tepla a snižuje procento množství paliva dodaného do cyklonové pece za hodinu.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky jsou odstraněny způsobem zpracování papírenského mletého kalu a obdobného organického kalu s vysokým obsahem popílku podle tohoto vynálezu. Jeho podstatou je to, že se dodává kal spolu s palivem z druhého zdroje do cyklonové pece, načež se kal s palivem z druhého zdroje spaluje při rekuperaci tepla obsaženého v kalu a zpracovává se popílek obsažený v kalu na strusku.

Kal se ve výhodném provedení dodává v množství, které přispívá v rozmezí od 10 do 40% k tepelnému příkonu cyklonové pece, popřípadě se kal dodává v množství, které přispívá více než 50 % k tepelnému příkonu cyklonové pece. Kal se s výhodou před přivedením do cyklonové pece suší, přičemž obsah vlhkosti je s výhodou menší než 20 %. Kal se ve výhodném provedení před spalováním shromažďuje do pelet. Z cyklonové pece se může odebírat roztavená struska, která se s výhodou ochlazuje a vytváří se tvrdý, pevný a odolný produkt obsahující popílek. Roztavená struska se může odlévat do forem a ochlazovat za vzniku tvrdých, pevných a odolných výrobků, popřípadě se může zpracovávat do vláken.

-1 CZ 293242 B6

Papírenský mletý kal obvykle obsahuje vysoký obsah popílku mezi 20 a ž 50 procenty suchého základu. Kal má rovněž značný obsah organických sloučenin tak, že výhřevnost je obvykle mezi

9300 až 17 450 kJ/kg (4000 až 7500 btu/lb.) při suchém základu. Papírenský mletý kal je rovněž výhodným zdrojem hoření. Rovněž další kaly mající obdobný obsah popílku a tepla mohou být využity. Jedná se zejména o kal z odpadních vod nebo další kal z průmyslové odpadní vody.

Teplo z kalu je rekuperováno v kotli nebo jiném tepelném výměníku spojeném s pecí. Vysoký obsah popílku v kalu bude zachycován ve strusce, která je po ochlazení pevná, tvrdá s v podstatě 10 sklovitou strukturou, což ji činí vhodnou pro použití jako konstrukční materiál, brusivo, pro střešní krytinu nebo další obdobné účely. Všechny těžké kovy nebo další nebezpečné nebo nevhodné složky popílku budou obsaženy ve sklovité strusce.

Podstatou řešení podle tohoto vynálezu je popsání zpracování papírenského mletého kalu 15 a obdobného materiálu ekonomickým a životní prostředí chránícím způsobem.

Další podstatou tohoto vynálezu je způsob rekuperace tepla z papírenského mletého kalu a obdobného materiálu při získání použitelných výrobků z kalu obsahujícího popílek.

Další a jiná řešení a výhody vynálezu budou zřejmé z následujícího podrobného popisu. Popis je proveden s pomocí přiložených obrázků, kde je znázorněno konkrétní výhodné řešení vynálezu.

Přehled obrázků na výkrese

Na obr. 1 je znázorněna v bokorysu v řezu schematicky cyklonová pec pro provádění způsobu podle tohoto vynálezu.

Na obr. 2 je znázorněna v nárysu v řezu vedeném rovinou 2-2 schematicky cyklónová pec 30 z obr. 1.

Příklady provedení vynálezu

Papírenský mletý kal může být upraven v širokém rozsahu. Avšak, obecně je charakterizován vysokým obsahem těkavých složek, včetně značného procenta uhlíku a vysokého obsahu popílku. Rovněž má poměrně vysokou hodnotu výhřevnosti. Racionální, elementární a minerální analýza pro tři typy papírenského mletého kalu ze způsobu recyklace papíru jsou uvedeny v následujících tabulkách:

-2CZ 293242 B6

Papírenský mletý kal „R“

Racionální analýza %	Suchý základ	Elementární analýza % Suchý základ
Popílek	48,64	Uhlík		24,68
Těkavé složky	50,26	Vodík		3,76
Vázaný uhlík	L10	Dusík		0,63
	100.00	Síra		0,06
		Popílek		48,64
kJ/kg (Btu/lb)	9590 (4123)	Kyslík (dif.)	22.23
				100,00
Síra	0,06
MAF
kJ.kg^.K'¹ (Btu)	33 612 (8028)
Minerální analýza			složkv hoření. % hmotnosti
Oxid křemičitý	SiO₂		39,86
Oxid hlinitý	A1₂O₃		34,21
Oxid titančitý	TiO₂		7,20
Oxid železitý	Fe₂O₃		0,85
Oxid vápenatý	CaO		13,30
Oxid hořečnatý	MgO		1,20
Oxid draselný	K₂O		0,23
Oxid sodný	Na₂O		0,12
Oxid sírový	SO₃		0,69
Oxid fosforečný	p₂o₅		0,49
Oxid strontnatý	SrO		0,02
Oxid bamatý	BaO		0,05
Tetraoxid trimanganu	Mn₃O₄		0,07

Neurčené 1.71

100,00

Způsob: ASTM označení D 3682-87

Papírenský mletý kal „IP“
Racionální analýza %			Elementární analýza %
	Suchý základ		Suchý základ
Popílek	20,21	Uhlík	47,27
Těkavé složky	56,74	Vodík	4,40
Vázaný uhlík	25.05	Dusík	1,33
	100.00	Síra	1,00
		Popílek	20,21
kJ/kg (Btu/lb)	17 995 (7734)	Kyslík (dif.)	25.79
			100,00
Síra	1,00
MAF
kJ.kg^_1.K^_1 (Btu)	40 583 (9693)

-3CZ 293242 B6

Minerální analýza složky hoření. % hmotnosti

Oxid křemičitý	SiO₂	38,85
Oxid hlinitý	ai₂o₃	16,92
Oxid titančitý	TiO₂	1,40
Oxid železitý	Fe₂O₃	5,07
Oxid vápenatý	CaO	14,94
Oxid hořečnatý	MgO	4,88
Oxid draselný	K₂O	2,01
Oxid sodný	Na₂O	1,27
Oxid sírový	SO₃	8,23
Oxid fosforečný	p₂o₅	3,24
Oxid strontnatý	SrO	0,04
Oxid bamatý	BaO	0,33
Tetraoxid trimanganu	Mn₃O₄	0,39

Neurčené 2.43

100,00 Způsob: ASTM označení D 3682-87

Papírenský mletý kal „JR“
Racionální analýza %		Elementární analýza %
	Suchý základ		Suchý základ
Popílek	45,98	Uhlík	25,24
Těkavé složky	52,46	Vodík	3,84
Vázaný uhlík	1.49	Dusík	0,37
	100.00	Síra	0,02
		Popílek	45,98
kJ/kg (Btu/lb)	9378 (4031)	Kyslík (dif.)	24,55 100,00
Síra	0,02
MAF kJ.kgÝK¹ (Btu)	31 242 (7462)
Minerální analýza		složkv hoření. % hmotnosti
Oxid křemičitý	SiO₂	40,29
Oxid hlinitý	A1₂O₃	31,96
Oxid titančitý	TiO₂	11,60
Oxid železitý	Fe₂O₃	0,87
Oxid vápenatý	CaO	12,64
Oxid hořečnatý	MgO	0,70
Oxid draselný	K₂O	0,11
Oxid sodný	Na₂O	0,15
Oxid sírový	SO₃	0,36
Oxid fosforečný	p₂o₅	0,20
Oxid strontnatý	SrO	0,05
Oxid bamatý	BaO	0,05
Tetraoxid trimanganu	Mn₃O₄	0,06
Neurčené		0.96
		100,00

Způsob: ASTM označení D 3682-87

-4CZ 293242 B6

Výše uvedené analýzy ukazují hladinu popílku v rozmezí od 18 do 43 % a množství těkavých složek v rozmezí od 44 do 50 %. Výhřevnost je v rozsahu od 9370 do 17 990 kJ/kg (4,031 do 7,734 Btu na libru hmotnosti) suchého základu. Takovýto papírenský mletý kal rovněž vykazuje 5 profil spalování dávající dobrou charakteristiku hoření v suchých vzorcích. Bod zápalnosti odpovídá uhlí různých typů. Další papírenské mleté kaly, které mají vysoký obsah vláken mohou mít obsah popílku menší než 10 %.

Pilotní studijní testy spalování papírenského mletého kalu v cyklonové peci byly prováděny io v malém simulátoru Babcock & Wilcox, cyklonové pece. Obvyklá cyklonová pec je znázorněna na obr. 1 patentu US 5 022 329. Pilotní studijní testy byly prováděny se směsí papírenského mletého kalu s vápencem dodaným v podobě tavidla a kalu z jednoho zdroje bez tavidla. Dále je uvedena přehledně racionální analýza a elementární analýza směsi kalu s vápencem získaná z přijatého, spáleného a suchého základu.

Kompozitní papírenský mletý kal s vápencem

Základ	Přijatý	Spálený	Suchý
Racionální analýza %
Vlhkost	50,79	18,34	-
Těkavý materiál	24,61	40,84	50,01
Vázaný uhlík	1,40	2,33	2,85
Popílek	23,20	38,49	47,14
Výhřevnost
kJ/kg (Btu/lb.)	3690(1586)	6120 (2631)	7495 (322)
Btu/lb. (M&A volný)	-	—	14181 (6095)
Elementární analýza %
Vlhkost	50,79	18,34	-
Uhlík	11,06	18,36	22,48
Vodík	1,36	2,26	2,77
Dusík	0,28	0,47	0,57
Síra	0,08	0,14	0,17
Chlór	0,03	0,05	0,06
Popílek	23,20	38,49	47,17
Kyslík (dif.)	13.20	21.89	26.81
	100,00	100,00	100,00
Celkem Oxid uhličitý, % CO₂	5,94	9,86	12,08
Uhličitan vápenatý, % CaCO₃	13,91	22,42	27,47
Analýza noDÍlku. %
Oxid křemičitý	SiO₂		31,93
Oxid hlinitý	A1₂O₃		23,32
Oxid železitý	Fe₂O₃		1,25
Oxid titane itý	TiO₂		5,63
Oxid vápenatý	CaO		28,23
Oxid hořečnatý	MgO		5,53
Oxid sodný	Na₂O*		0,32
Oxid draselný	K₂O*		0,42
Oxid sírový	SO₃		1,84
Oxid fosforečný	p₂o₅		<0,10
Celkem Oxid uhličitý	CO₂		1,34
Oxid zinečnatý	ZnO		0,08

* plamenovým fotometrem

-5CZ 293242 B6

Vlhký kal způsobuje komplikace. Kal je s výhodou vysušen na 20ti procentní nebo nižší vlhkost před jeho přivedením do cyklonové pece. Vysušený kal s vápencem byl proveden přes 3/8 síto (oka 9,5 mm) před jeho přivedením do napájecího vedení cyklonové pece.

Pro provádění zkoušky byl použit kal, kterým bylo do pece vnášeno v rozmezí 10 až 40% celkového přiváděného množství vnášeného tepla. U první série zkoušek byl druhým zdrojem paliva zemní plyn. Po ohřevu pece na provozní teplotu a zpracování kalu vytékala struska z pece odstruskovacím otvorem 17. Struska, vznikající současným spalováním kalu a další složky je 10 tuhá, tvrdá, pevná a odolná, přičemž se podobá strusce, která se vytváří při spalování uhlí v cyklonové peci.

Po úspěšné demonstraci současného spalování kalu a zemního plynu v malém simulátoru parního kotle byly zkoušky prováděny se směsí paliva, do které byly za účelem redukce přiváděného 15 množství zemního plynu přidávány na malé kousky rozřezané pneumatiky. Palivo tvořené z na malé kousky rozřezaných pneumatik procházelo 1/2 sítem (oka 12,7 mm) a směšováno s kalem.

Při provádění zkoušek bylo z celkového množství přiváděného tepla vnášeno v rozmezí 10 až 20 % spalováním z na malé kousky rozřezaných pneumatik, 40 % spalováním kalu a zbytek spalováním zemního plynu. Výsledky obou zkoušek byly velmi uspokojivé a splňovaly všechny 20 stanovené podmínky.

Dokonce i v případech, kdy byl pro pokusné studijní zkoušky použit kal, jehož výhřevnost byla menší než její převážná část, průtokové množství hlavní přísady (stanovené například v librách za hodinu), to je papírenského kalu přesahovalo průtokové množství zemního plynu.

Přestože obsahoval papírenský kal pouze malé množství těžkých kovů, byly uvedené těžké kovy strhávány do vznikající strusky, přičemž tato struska prošla následně vyluhovacím testováním.

Zkouškami zjištěné výsledky byly srovnatelné jak při zpracování pouze čistého papírenského 30 kalu, tak i směsi papírenského kalu s vápencem, který se do směsi přidává jako struskotvomá přísada.

Na obrázcích 1 a 2 je znázorněna cyklonová pec uzpůsobená pro spalování papírenského kalu. Cyklonová pece sestává zcyklonového bubnu 10, kterým je horizontálně uspořádaný vodou 35 chlazený buben 10. Cyklonový buben 10 zahrnuje sekundární přívod vzduchu 11, který vstupuje do cyklonového bubnu 10 tangenciálně, jak je znázorněno na obr. 2. Plynové hořáky 12 jsou upevněny v sekundárním přívodu vzduchu 11 do cyklonového bubnu PO. Zažehovač 13 plynu je účelně uspořádán v těsné blízkosti plynových hořáků 12. Vstřikovací trysky 14 jsou umístěny v odstupu od sebe po celé délce cyklonového bubnu 10. Vstřikovacími tryskami 14 vstupujte do 40 cyklonového bubnu 10 papírenský kal současně s primárním vzduchem. Zavádění primárního a sekundárního vzduchu způsobuje vytváření vířivého proudění zemního plynu, kalu a vzduchu uvnitř a následně z cyklonového bubnu 10 do vnitřního prostoru 15 pece. Tato pec může být jakýmkoli z velkého množství způsobů, známých ze stavu techniky, připojena na parní kotel.

Na vnitřním povrchu cyklonového bubnu 10 se tvoří struska. Tato roztavená struska vystupuje vypouštěcím otvorem 16 strusky a postupuje dále do odstruskovacího otvoru 17, kde je roztavená struska odstraňována a zpracovávána obvykle zakalením prudkým ochlazováním. Vzhledem k tomu, že pouze jediný zdroj papírenského kalu může být jako přídavný palivový zdroj pro zásobování parního kotle cyklonové pece palivem nepostačující, je možné, aby byla jako 50 přídavné palivo vyžadována směs papírenských kalů. Směšování těchto kalů může být součástí procesu vysoušení kalů převalováním vcyklonovém bubnu 10. Pro účely pracovní činnosti cyklonové pece v provozním měřítku se musí optimální velikost kalu pohybovat v rozmezí mezi 9,5 až 15,9 mm (3/8 až 5/8). Kromě toho může být z důvodů snadné manipulace žádoucí kal aglomerovat do pelet.

-6CZ 293242 B6

Struskotvomé přísady jako vápenec nebo podobně nemusí být pro proces vůbec potřebné.

Potřeba struskotvomé přísady závisí na viskozitě strusky vytvářené zpracováním. Standardní měřítkem nezbytnosti použití struskotvomé přísady je teplota T-250, při které má struska viskozitu 250 poise. Jestliže je tato teplota T- nižší než provozní teplota v cyklonové peci, není použití struskotvomé přísady pro vytváření strusky nezbytné.

Ačkoli je struska zpracovávána typicky zakalením prudkým ochlazováním a následně pro další použití rozmělňována, může být roztavená struska rovněž přiváděna do a zpracovávána přímo lisovacím nebo tvarovacími operacemi za účelem vytváření lisováním použitelných výrobků, takových jako jsou cihly nebo obkládací dlaždice, nebo tvarováním vláknitému materiálu podobných substancí, takových jako je například strusková vlna. Bez ohledu na právě uvedená zpracování bude mít struska zpracovaná prudkým ochlazováním konzistenci podobnou sklovině. V případě, že se požaduje použití strusky jako zavážky, je takto zpracovaná struska ve stavu, ve kterém je s ní možné, ve srovnání s kalem nebo popelem, snadno manipulovat. Použitím způsobu podle předloženého vynálezu mohou být rovněž upravovány splaškové nebo podobné další kaly, které jsou výsledkem průmyslového zpracování odpadních vod. Uvedené kaly mají těkavé komponenty, které jsou podobné jak organickým složkám, tak zároveň obsahu popele papírenského kalu. Výsledné a minerální analýzy po zpracování charakteristických kalů odpadních vod jsou uvedeny v patentovém spisu US 5 057 009.

Provozní činnost cyklonových pecí, umožňující spalování kalu a přeměnu jeho obsahu popílku na dále využitelnou strusku, je ve srovnání s jinými v současné době dosažitelnými způsoby zpracování a likvidace papírenských kalů kvalitnější a dokonalejší technologií. Optimální výsledky jsou dosaženy v konvenčních cyklonových pecích při použití částečně vysušeného kalu (to je s obsahem vlhkosti 20 % a méně). Avšak i kal s vyšším obsahem vlhkosti může být přizpůsoben jednak prostřednictvím vhodného příslušenství pro dodávání do cyklonové pece a jednak v případě generování tepla postačujícího pro odpařování vlhkosti při současném udržování pro vytváření strusky za dostatečně vysokých teplot.

Spalováním kalu v cyklonové peci může být vnášeno více než 50 % celkové výhřevnosti paliva. To je zejména pravdivé ve skutečnosti, kdy se obsah vlhkosti kalu dodávaného do pece nebo obsah popele pohybuje na spodní hranici. Kromě toho bude přidávání většího podílu struskotvorné přísady do směsi paliva snižovat teplotu nezbytnou pro vytváření strusky a umožňuje zvyšování poměrného procentuálního obsahu výhřevnosti vnášené spalováním kalu.

Současně s papírenským kalem mohou být spalovány na malé kousky rozřezané pneumatiky za účelem redukce požadovaného zemního plynu. Jako další přídavná doplňková paliva může být použito uhlí nebo topný olej. Ve všech případech však do cyklonové pece dodávané průtokové množství kalu může přesahovat průtokové množství ostatních paliv dodávaných do cyklonové pece.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob zpracování papírenského mletého kalu a obdobného organického kalu s vysokým obsahem popílku, vyznačující se tím, že se kal dodává spolu s palivem z druhého zdroje do cyklonové pece, načež se kal s palivem z druhého zdroje spaluje při rekuperaci tepla obsaženého v kalu a zpracovává se popílek, obsažený v kalu, na strusku.
2. Způsob podle nároku 1,vyznačující se tím, že kal se dodává v množství, které přispívá v rozmezí od 10 do 40 % k tepelnému příkonu cyklonové pece.
3. Způsob podle nároku 1,vyznačuj ící se t í m, že kal se dodává v množství, které přispívá více než 50 % k tepelnému příkonu cyklonové pece.
4. Způsob podle nároku 1,vyznačující se tím, že kal se před přivedením do cyklonové pece suší.
5. Způsob podle nároku 4, vyznačující se tím, že kal se před přivedením do cyklonové pece suší na obsah vlhkosti menší než 20 %.
6. Způsob podle kteréhokoli z nároků 1 až 5, v y z n a č u j í c í se t í m , že kal se před spalováním shromažďuje do pelet.
7. Způsob podle kteréhokoli z nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že z cyklonové pece se odebírá roztavená struska.
8. Způsob podle kteréhokoli z nároků laž 6, vyznačující se tím, že roztavená struska se ochlazuje a vytváří se tvrdý, pevný a odolný produkt obsahující popílek.
9. Způsob podle nároku 7, vyznačující se tím, že roztavená struska se odlévá do forem a ochlazuje za vzniku tvrdých, pevných a odolných výrobků.
10. Způsob podle nároku 7, vyznačující se tím, že roztavená struska se zpracovává do vláken.

1 výkres