CZ7919U1 - Přídavné palivo pro cementárny a vápenky na bázi alternativních spalitelných materiálů - Google Patents

Description

Přídavné palivo pro cementárny a vápenky na bázi alternativních spalitelných materiálů

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 odpadů.

Dosavadní stav techniky

V současnosti stále končí převážná část odpadů na skládkách aniž by bylo využito jejich materiálového či energetického potenciálu. Představují tak pro životní prostředí dvojí zátěž. Je to zaprvé sama jejich existence a objem, který zaujímají na skládkách a za druhé nutnost většího objemu těžby primárních neobnovitelných zdrojů. 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 uvedeného přídavného paliva nespalitelná složka slouží jako součást surovinové směsí pro výrobu cementářského slínku.

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 a/nebo odpadů, přičemž je využíván jejich energetický obsah při výpalu vápna nebo cementářského slínku. Při výrobě cementářského slínku se jejich nespalitelná složka stává součástí surovinové směsi a bezodpadově přechází do slínku. Celý pecní systém, sestávající z dispersních výměníků tepla, rotační pece, chladiče slínku, stabilizátoru a elektrostatického odlučovače prachu, představuje dokonalý systém pro zachycení a bezodpadové zneškodnění škodlivin, vznikajících pří 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, Cl*, F’ a některé další těkavé prvky a sloučeniny. Předehřátá surovina z výměníků vstupuje do vlastní rotační pece a v protiproudu 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 t. zv. slinovacího pásma pece, kdy je teplota tak vysoká, že se v něm objevuje tavenina. Za těchto podmínek dochází ke vzniku hlavních

- 1 CZ 7919 Ul slínkových minerálů a během tohoto procesu se v jejich vznikající krystalové mřížce pevně vážou atomy většiny t. zv. těžkých kovů (TK). Tato vazba je velmi pevná a stupeň zachycení TK se blíží hodnotě 100 %.

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

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

Místo pomocného hořáku je možno také 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 t. zv. 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 komínem 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 1,5 m. Doba zdržení hořícího paliva v plameni je při běžných rychlostech proudění plynů v rotační peci asi 2-3 sekundy podle velikosti zařízení. Teplota a doba zdržení spolu s mírně 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 zdrojem 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.

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

Vyzdívka je v chladnějších částech pece 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

-2CZ 7919 Ul 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 5 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 TI a Hg prakticky veškeré těžké (jinak také toxické) kovy.

Pecní linky jsou vybaveny účinnými elektrostatickými odlučovači se stabilizátory, odpovídajícími t. zv. prvnímu stupni čištění kouřových plynů ve spalovnách. Odlučivost těchto zařízení dosahuje až 99,9 %. Spolu s TK, 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 TI. Funkce výměníkového systému při 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 slínku v cementářské rotační peci je bezodpadovou technologií. Podmínky spalování v cementářských 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 schopnosti 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 SO?, 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 TI. Ostatní těžké nebo 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 kyselých škodlivin, čímž je umožněna úspora přírodních neobnovitelných 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 při 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 veškeré znečišťující látky jako jsou uhlovodíky alifatické i aromatické, chlorované i nechlorované při sdružení se

- J CZ 7919 Ul 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 alkalie, nebo jako těžké kovy se vážou v mřížce slínkových minerálů, nebo jako další kyselé složky (F, Cl, SO₂) se vážou na částice suroviny obsahující volné CaO během předehřívání 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, obsahující 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. Nespalitelný podíl je významným zdrojem oxidu křemičitého a hlinitého jako základních složek 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 bělicí 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.

Průmyslová využitelnost

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

Claims (6)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   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

   5 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 % 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 jeho nespalitelná složka slouží jako součást surovinové ío směsi pro výrobu cementářského slínku.
2. 2. Palivo podle nároku 1, vyznačující se tím, že jednu nebo více jeho složek tvoří spalitelný odpad.
3. 3. Palivo podle nároku 1, vyznačující se tím, že je tvořeno vytříděnou a podrcenou spalitelnou složkou komunálního odpadu.

   15
4. 4. Palivo podle nároku3, vyznačující se tím, že vytříděná apodrcená spalitelná složka komunálního odpadu je granulovaná.
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 20 vysušeným a granulovaným kalem z biologického čištění komunálních splaškových vod.

   Konec dokumentu