Uprawniony z patentu: Union Carbide Corporation, Nowy Jork (Stany Zjednoczone Ameryki) Sposób usuwania stalych odpadków Przedmiotem wynalazku jest sposób usuwania odpadków stalych przez spalanie, a zwlaszcza spo¬ sób usuwania odpadków w palenisku szybowym, przez przeprowadzanie ich albo w postac stopio¬ nego metalu, zuzlu i zawierajacego surowce che- 5 miczne gazu spalinowego, przy uzyciu tlenu lub powietrza wzbogaconego tlenem, lub w wartoscio¬ we paliwo i scieki wodne, przy uzyciu minimal¬ nej ilosci powietrza.Skuteczne usuwanie odpadków jest problemem io zwiazanym z kazdym wiekszym osrodkiem miej¬ skim. W wyniku skupienia w miastach duzej licz¬ by mieszkanców pozbawionych odpowiedniej prze¬ strzeni do wysypywania smieci, problem usuwania miejskich odpadków stal sie przedmiotem powsze- 15 chnej troski i uwagi.Dotychczasowe sposoby spalania odpadków oprócz tego, ze nieskuteczne, staly sie zródlem zanieczy¬ szczenia powietrza i wody. Powstajace w czasie spalania odpadków zanieczyszczenia obecne sa w 20 gazach spalinowych w postaci czastek ciala stalego, cieczy lub gazu. Zanieczyszczenia organiczne, takie jak: kwasy, aldehydy i weglowodory, a równiez tlenek wegla, wystepuja w gazach spalinowych ja¬ ko produkty uboczne niezupelnego spalenia. Jest 25 to wynik braku dostatecznej ilosci tlenu, zlego mie¬ szania lub niskiej temperatury. Obecnosc w gazie dwutlenku siarki jest wynikiem spalania zwiazków zawierajacych siarke. Zanieczyszczeniem stalym jest lotny popiól, skladajacy sie z niespalanych czastek 30 organicznych lub nieorganicznych, obecnych w pa¬ liwie, które oprócz zanieczyszczania srodowiska, dziala szkodliwie na sprzet. Na przyklad, erozja i korozja rur kotla, w procesie, w którym do wy¬ twarzania pary wykorzystuje sie cieplo gazu spali¬ nowego, wywolana jest czesto obecnoscia lotnego popiolu w gazie.Zastosowane, w celu obnizenia poziomu zanieczy¬ szczen w procesach spalania odpadków, metody kontroli i sposoby obnizania stezenia zanieczysz¬ czen, przyniosly tylko czesciowy sukces. Gazy spa¬ linowe poddaje sie wymywaniu woda w skruberze, oczyszczaniu lub filtracji elektrostatycznej, w celu usuniecia wiekszosci zanieczyszczen przed wypusz¬ czeniem do atmosfery. Jednakze duza objetosc ga¬ zów spalinowych uzyskiwana w dotychczas stoso¬ wanych sposobach spalania, czyni oczyszczanie ga¬ zu rzecza trudna i kosztowna. Ponadto, calkowita ilosc pozostalych w gazie, po oczyszczeniu, zanie¬ czyszczen, wzrasta znacznie wskutek rozcienczenia gazu azotem zawartym w uzytym do spalania po¬ wietrza. Taki efekt uzyskuje sie zwlaszcza w przy¬ padku uzycia do spalania duzych ilosci powietrza jak to sie zwykle praktykuje, na przyklad, podczas spalania odpadków.Problemy zwiazane z usuwaniem odpadków nie ograniczaja sie jedynie do zanieczyszczenia atmo¬ sfery. Istnieje problem stalej pozostalosci powsta¬ jacej w efekcie stosowania dotychczasowych me¬ tod spalania, która zwykle nie jest poddawana pro- 78 1043 78104 4 cesowi zmniejszania objetosci i dlatego zajmuje duzo miejsca, i jest trudna do usuniecia. W dodat¬ ku, zawiera ona niespalone substancje i moze byc, w pewnych przypadkach, biologicznie aktywna. Z tego powodu, pozostalosc taka nie nadaje sie na wysypisko,, i problemem staje sie ostateczne jej pozbycie.Wzrastajace zaniepokojenie budzi rozrzucanie od¬ padków stalych, wynikajace z ich malej wartosci jako produktów ubocznych. Odpadki stale moga byc cennym zródlem takich surowców, jak na przyklad: chemikalia, paliwo, szklo i metal. Przy wyczerpywaniu sie naszych zasobów naturalnych odpadki staja sie coraz cenniejsze, co powoduje, ze utylizuje sie-Je.W ostatnich latach, najwieksza uwage zwrócily sposoby calkowitego spalania odpadków, co wia¬ zalo sie z"'próbami uzyskania latwo usuwalnej po- zostal^sd z róznych odpadkowych mieszanek. Kon¬ cepcja*usuwania stalych odpadków przez przepro¬ wadzenie substancji niepalnych w- stopiony metal i zuzel, a substancji palnych w gazy, w pionowym, szybowym piecu, zasilanym od góry odpadkami i wstepnie podgrzanym powietrzem, jest znana z opisu patentowego Stanów Zjednoczonych Ameryki zgloszonego w 1879 roku pod numerem 211 503.W opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 3 511194 opisano sposób, polegajacy na doprowadzaniu wstepnie podgrzanego powietrza do pieca szybowego od dolu i reakcji z zsuwajacymi sie z góry odpadkami. Gorace gazy, plynace w przeciwpradzie do przesuwajacych sie w piecu od¬ padków, powoduja ich rozpad termiczny z wytwo¬ rzeniem gazu, cieklych weglowodorów i wegla. O- puszczajac piec w poblizu szczytu, gaz, jest gazem palnym. Spala sie go calkowicie w nastepnej ko¬ morze spalania z dodatkiem powietrza. Gaz wylo¬ towy z komory spalania moze byc chlodzony przez gaszenie lub wykorzystanie jego ciepla do ogrze¬ wania kotla przed oczyszczeniem przez filtry wor¬ kowe.Sposoby podane w cytowanych patentach maja powazne wady. Oba podaja mozliwosc doprowadza¬ nia ciepla od dolu pieca, przez spalanie zsuwajace¬ go sie wegla podgrzanym powietrzem. Ilosc ciepla doprowadzana tym sposobem jest, w najlepszym wypadku, na granicy warunków potrzebnych z jed¬ nej strony do utrzymywania na dnie paleniska sto¬ pionego zelaza, a z drugiej, do zapobiezenia two¬ rzeniu, powodujacego korozje, tlenku zelaza. Stad tez, przy róznych mieszankach odpadkowych, tem¬ peratura na dnie paleniska moze spasc ponizej punktu, w którym zuzel i metal sa wystarczajaco plynne aby mozna je bylo spuscic z pieca, tym sa¬ mym spadek temperatury moze powaznie zaklócic prowadzenie procesu. Dalsza wada powyzszych wy¬ nalazków wynika z rodzaju gazów opalowych opu¬ szczajacych piec. Obecny w gazie utleniajacym to jest powietrzu, azot, rozciencza opuszczajacy piec gaz, obnizajac tym samym jego wartosc opalowa.Ponadto, duze rozcienczenie gazu v azotem obniza takze potencjalna mozliwosc wykorzystania go ja¬ ko surowca chemicznego.Nastepna wada sposobu omówionego w opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 3 511194 jest to, ze gaz opalowy opuszczajacy szyb jest przed oczyszczeniem calkowicie utleniany w drugiej komorze spalania. Drugi stopien utlenienia wymaga doprowadzenia dodatkowej ilosci powie¬ trza a w nim azotu, co powoduje dalsze zwieksze¬ nie objetosci gazu, obnizenie stezenia zanieczysz¬ czen i czyni proces oczyszczania gazów przed wy¬ puszczeniem ich do atmosfery, nieskutecznym i ko¬ sztownym.Analiza szybkosci wytwarzania ciepla na dnie- paleniska lub w dolnej strefie pieca szybowego po- - kazuje trudnosc prowadzenia procesu przeciwpra- - dowego z zastosowaniem wstepnie podgrzanego lub* wzbogaconego paliwem powietrza, jako medium utleniajacego. Pierwszym warunkiem ciaglej pracy pieca jest, by temperatura dna paleniska wynosila okolo 1650°C, co jest potrzebne do utrzymania me¬ talu i zuzla na dnie pieca w stanie plynnym. Ko¬ nieczne sa wiec duze szybkosci wytwarzania ciepla.Jednakze, uzycie medium utleniajacego o malym stezeniu tlenu, takiego jak powietrza (nawet pod¬ grzanego do wysokiej temperatury), da zawsze w wyniku graniczne lub niedostateczne szybkosci wy¬ twarzania ciepla na dnie paleniska. Niespodziewa¬ nie, nawet dodanie paliwa pomoczniczego, takiego jak metan, wprowadzanego razem z podgrzanym powietrzem, w warunkach odtleniania niewiele da¬ je, a w pewnych przypadkach moze byc szkodliwe.Szkodliwosc ta polega na tym, ze moze bardziej chlodzic dna paleniska niz je ogrzewac.Proponowano równiez uzycie czystego tlenu do wzbogacenia powietrza doprowadzanego do spala¬ nia odpadków. W artykule Zinna i innych „Total Incineration" opublikowanym w „Prooeedings of 1970 National Incineration Conference, May 17—20, 1970" na str. 116—217, przedstawiony jest piec szy¬ bowy, który zasila sie odpadkami od góry, a powie¬ trzem wzbogaconym tlenem, od dolu, utrzymujac pozadana temperature 1650°C na dnie paleniska, skad usuwa sie plynny zuzel. Wychodzacy ze szczy¬ tu pieca palny gaz dopala sie, przed oczyszczeniem, powietrzem, w nastepnej komorze spalania. Cho¬ ciaz sposób ten jest korzystniejszy ze wzgledu na wytwarzanie ciepla na dnie paleniska, jednak wa¬ runki jego prowadzenia narzucaja ograniczenia, nie¬ dopuszczalne z ekonomicznego punktu widzenia.Glówne wady tego systemu sa, w wielkiej mierze, zwiazane z •wymogiem uzycia znacznej ilosci tlenu na tone spalanych pozostalosci. Zinn wymienia ilosc od 0,3 do 0,4 tony powietrza na tone odpadków.Prowadzi to do dalszych problemów, nie dajacych' sie pogodzic z efektywnym sposobem spalania od¬ padków.Po pierwsze, wysoki stosunek ilosci tlenu do ilo¬ sci spalanych odpadów, stwarza niedogodne wa¬ runki utleniania w palenisku. Pozadane jest ogra¬ niczenie warunków utleniania w palenisku a ko¬ rzystne jest utrzymywanie atmosfery redukujacej.W warunkach duzego zuzycia tlenu, zgodnie z tym co podaje Zinn, zelazo bedzie utleniac sie gwaltow¬ nie do tlenku zelaza, powodujacego powstawanie gestych, brazowych dymów i dzialajacego chemicz¬ nie na wykladzine ogniotrwala paleniska. Dalej, znaczny iHadmiar (tlenu w palenisku powoduje po¬ wstanie zbyt wysokich temperatur w calym piecu, 10 15 20 SS 30 35 40 45 50 55 6078104 5 6 czemu towarzyszy zuzywanie sie ogniotrwalej wy¬ kladziny.Dodatkowa wada proponowanego przez Zinna, wysokiego stosunku ilosci tlenu do ilosci odpadków jest to, ze nadmierna ilosc zuzytego tlenu nieko¬ rzystnie wplywa na wartosc opalowa wychodzace¬ go gazu oraz jego wartosc jako potencjalnego su¬ rowca chemicznego. Na przyklad, w obecnosci nad¬ miaru tlenu w piecu, czesc palnych skladników £azu, takich jak: CO i H* utlenia sie do CO* i H,0, co gwaltownie obniza wartosc opalowa gazu spali¬ nowego. W podobny sposób nadmiar tlenu w piecu obniza chemiczna wartosc gazu, który mozna uzy¬ wac jako gaz syntezowy lub redukcyjny. Ponadto, ta nieefektywnosc ukladu, wynikajaca z uzycia nad¬ miernej Ilosci tlenu, powoduje zbyt wysokie tem¬ peratury gazu wychodzacego z pieca. Obciaza to znacznie urzadzenie do chlodzenia gazu, które chlo- -dzi gaz i zmniejsza jego objetosc przed oczyszcza¬ niem.Sposób Zinna, na równi z podanymi powyzej -opisami patentowymi Stanów Zjednoczonych Ame¬ ryki napotyka na ogromny problem oczyszczania wielkich objetosci gazu spalinowego opuszczajace¬ go druga komore spalania, dlatego tez ilosc zanie¬ czyszczen w gazie kominowym lub spalinowym musi byc zmniejszona do wartosci dopuszczalnej, przed wypuszczeniem gazu do atmosfery. Rozmiary tego problemu mozna ocenic biorac pod uwage iakt, ze dobrze skonstruowany filtr elektrostatycz¬ ny lub skruber, moze zmniejszyc zawartosc po¬ szczególnych zanieczyszczen w strumieniu gazu do stezenia okolo 48 mg/m8.. Przy dotychczasowych sposobach spalania trzeba oczyscic okolo 17000 ma gazów spalinowych powstalych ze spalenia jednej tony odpadków. Po oczyszczeniu, zawieraja one okolo 0,82 kg zanieczyszczen na tone spalonych odpadków.W sposobie, opisanym w opisie patentowym Sta¬ nów Zjednoczonych Ameryki nr 3 511194, ilosc o- czyszczanych gazów zmniejsza sie do okolo 5660 m3 na tone, co powoduje zmniejszenie ilosci zanieczy¬ szczen w oczyszczonym gazie do okolo 0,27 kg na tone spalonych odpadków. Jednakze, obecne po¬ trzeby dotyczace ochrony srodowiska stawiaja wy¬ magania zmniejszania ilosci zanieczyszczen wypu¬ szczanych w powietrze, do nizszego poziomu niz mozna otrzymac tymi sposobami.Celem wynalazku jest opracowanie skutecznej me¬ tody usuwania odpadków. Polega ona na uzyciu mi¬ nimalnych ilosci tlenu i wytwarzania minimalnych objetosci gazu spalinowego. W wyniku stosowania sposobu wedlug wynalazku, wytworzony gaz spali¬ nowy ma wartosc, produktu ubocznego, takiego jak paliwo lub gaz syntezowy dla produkcji chemicz¬ nej, a obojetna, gesta, stala pozostalosc jest warto¬ sciowym, metalicznym produktem ubocznym. Spo¬ sobem wedlug wynalazku, stosujac polaczony sy¬ stem, usuwa sie odpadki i produkuje energie w nadmiarze, w stosunku do potrzeb tego systemu.Sposób wedlug wynalazku polega na usuwaniu przez spalanie, stalych odpadków zawierajacych palne substancje organiczne i niepalne substancje nieorganiczne i obejmuje dostarczanie odpadków do pieca szybowego, polaczone z ich spalaniem przy pomocy gazu zawierajacego co najmniej 40% tlenu.Odpadki wprowadza sie do pieca od góry, a gaz potrzebny do spalania od dolu, tworzac tym sa¬ mym strefe spajaniai-topienia-w -dolnej czesci pie¬ ca, strefe rozkladu termicznego w czesci srodkowej, a strefe suszenia w czesci górnej. Gazowe produk¬ ty spalania wyprowadza sie ze strefy suszenia i zbiera sie, splywajace ze strefy spalania i topie¬ nia, stopione substancje nieorganiczne. Istotna ce¬ cha wynalazku jest to, ze gaz podtrzymujacy pa¬ lenie dostarcza sie do pieca z taka szybkoscia aby utrzymywac wagowy stosunek tlenu do doprowa¬ dzanych do pieca odpadków w granicach od 0,15:1 do 0,28:1.Ponadto na sposób wedlug wynalazku sklada sit dodatkowo oczyszczanie z zanieczyszczen gazu wy¬ chodzacego z pieca, kierowanie niewielkiej porcji oczyszczonego gazu do instalacji tlenowej, gdzie sie go spala w celu wytworzenia energii potrzebnej do wydzielenia tlenu z powietrza, zasilanie pieca szy¬ bowego tak wyprodukowanym tlenem, jako gazem podtrzymujacym palenie, wypuszczanie glównej czesci wspomnianego, oczyszczonego gazu jako pro¬ duktu gazowego.Korzystnie, gaz wypuszczony z pieca oczyszcza sie przez przemywanie roztworem wodnym a tak¬ ze stosuje jeszcze dalsze dodatkowe etapy takie jak osuszanie przemytego gazu przez kondensacje zawartej w nim pary wodnej, zbieranie scieków ze skrubera i rozdzielanie ich na faze organiczna i faze wodna zawierajaca lotny popiól, odsaczanie lotnego popiolu z warstwy wodnej, zawrócenie przesaczonej czesci warstwy wodnej do skrubera, w celu uzycia jej, wraz z kondensatem z etapu kondensacji, jako cieczy myjacej, zmieszanie odsa¬ czonego lotnego popiolu ze wspomniana warstwa organiczna i zawrócenie mieszaniny do pieca szy¬ bowego.Termin „odpadki", uzywany w opisie oznacza zwykle odpadki lub smieci z gospodarstwa domo¬ wego, handlu lub rolnictwa, obejmujace materialy palne, takie jak papier, masy plastyczne, gume, skóre, artykuly tekstylne, drewniane i resztki zyw¬ nosci, oraz materialy niepalne, takie jak metal, szklo i spoiwa, które moga byc, zgodnie ze spo¬ sobem wedlug wynalazku stopione lub spalone w piecu szybowym. Ponadto, odpadki zwykle zawie¬ raja duza ilosc wody, glównie zaabsorbowana przez materialy porowate. Termin „odpadki" moze takze obejmowac rózne czesci odpadków przemy¬ slowych, takich jak skrawki metalu i szlam, które mozna poddac obróbce zgodnie z wynalazkiem, ra¬ zem z odpadkami miejskimi. Tak wiec, na przy¬ klad, skrawki metalu, jesli chce sie je przeprowa¬ dzic w stopiony metal, mozna dodac do odpadków miejskich. W takich wypadkach, odpadki miejskie dodaje sie jako zródlo paliwa i wegla. Jako inny przyklad, szlam tj. wodna-stala pozostalosc z in¬ stalacji przerabiajacych scieki oraz rózne odpadki przemyslowe, mozna rozkladac zgodnie z wynalaz¬ kiem wraz z odpadkami miejskimi.Uzywany termin „zanieczyszczenie" oznacza tok¬ syczne i szkodliwe produkty uboczne spalania, któ¬ rych nie mozna wypuscic swobodnie do atmosfery.Terminem tym okresla sie stale czastki, takie jak li 15 25 SO 55 45 45 55 557 lotny popiól, oraz pary i dymy, takie jak SO?, NO, HC1, substancje organiczne, takie jak kwas octo¬ wy oraz weglowodory, takie jak metan, pentan i heksan.Uzywany w opisie termin „zuzel" oznacza nie¬ palne, nieorganiczne czesci odpadków, które topia sie w reaktorze i które spuszcza sie z dolu pieca w stanie stopionymi lub plynnym. Zuzel tworzy sie przede wszystkim z takich materialów jak szklo i spoiwa. Jesli w palenisku utrzymujecie warunki lekko utleniajace, zuzel zawiera równiez troche utlenionego metalu. Jesli jednak, palenisko pieca utrzymuje sie w warunkach redukcyjnych, zuzel jest calkowicie wolny od tlenków metali i moze byc spuszczony z pieca szybowego jako oddzielny strumien stopionego metalu poniewaz w tych wa¬ runkach zuzel i metal maja tendencje do rozdzie¬ lania faz, z plywajaca na nim warstwa zuzla. Sto¬ piony metal i zuzel mozna spuszczac w sposób pe¬ riodyczny lub ciagly. Spuszczone strumienie mozna pozostawic do zestalenia na obojetna, zbita pozo¬ stalosc, która uzywa sie jako higieniczne wysypi¬ sko. Mozna, w razie potrzeby pozostalosc te przed jej zestaleniem przerobic w latwy sposób w celu zwiekszenia jej wartosci. I tak na przyklad stopio¬ ne szklo mozna przerobic na wlókno szklane, a stopiony metal poddac rafinacji lub uzywac do odlewów.Uzywany w opisie termin „uplynniania" oznacza przeprowadzanie jakiegos materialu ze stanu sta¬ lego w stan plynny, w takich odpowiednio wyso¬ kich temperaturach by material mógl latwo ply¬ nac.Stosunek wagowy tlenu do odpadków wprowa¬ dzanych do pieca szybowego jest krytycznym para¬ metrem sposobu wedlug wynalazku. Stosunek wiekszy niz okolo 0,28 powoduje, ze proces nie da¬ je pozadanych rezultatów. Dotyczy, to produkcji gazu opalowego o wartosci opalowej wiekszej niz 1780 kcal/m3 przy temperaturze 21°C. Ponadto, przy stosunku tlenu do odpadków wiekszym niz 0,28 wzrastaja koszty prowadzenia procesu odpowiednio do wzrostu zuzycia tlenu; wyprodukowany gaz opa¬ lowy zawiera wiekszy procent produktów utlenio¬ nych, co obniza jego wartosc opalowa. Wskutek nadmiernej ilosci tlenu, wewnatrz pieca powstaja zbyt wysokie temperatury, co powoduje erozje pie¬ ca, a wychodzacy z pieca gaz spalinowy ma niepo¬ zadanie wysoka temperature. • Z drugiej strony, sto¬ sunek wagowy tlenu do odpiadków mniejszy niz okolo 0,15 powoduje niedostatek energii potrzebnej do wyrównania braków wywolanych endotermicz- nymi reakcjami w piecu. Skutkiem tego sa niskie temperatury w strefie spalania i stapiania, niespa- lone odpadki w pozostalosci, zestalanie zuzla me¬ talicznego .w dolnej czesci pieca i nagromadzenie odpadków w górze pieca. Korzystny stosunek wa¬ gowy tlenu do odpadków wynosi od okolo 0,18:1 do 0,22:1.Stosowany w sposobie wedlug wynalazku gaz musi, w celu dostarczenia wystarczajacej ilosci e- nergii do ukladu, zawierac co najmniej 40% obje¬ tosciowych tlenu.Korzystnie jest wytwarzac taki gaz przez wzbo¬ gacanie powietrza tlenem. Korzystnie jest stosowac 104 -.8 ¦¦¦ . tlen o stezeniu wiekszym niz 40%, jeszcze lepiej jest, z technicznego punktu widzenia, stosowac czy¬ sty tlen. Wyliczenia ekonomiczne podaja, ze poza¬ dana ilosc tlenu w gazie Zalezna ód rodzaju mie- 5 szanki oraz zawartosci wilgoci w odpodkach, za¬ wiera sie pomiedzy 40% a 100%.Jedna z wazniejszych korzysci, wynikajacych z zastosowania sposobu wedlug wynalazku, jest Uzy¬ tecznosc wytwarzanego produktu gazowego, wypu- 10 szczanego ze szczytu pieca. Gaz ten, w zaleznosci od skladu, jest wartosciowym paliwem, pokrywa¬ jacym z nadwyzka caly koszt energii uzytej do tego procesu. Zawiera on co najmniej 50% obje¬ tosciowych tlenkii wegla i wodoru, a korzystnie od 15 70% do 80% tych dwóch gazów. Wartosc opalowa tego gazu wynosi co najmniej 1780 kcal/m3 suchego gazu w temperaturze 21°C, pod cisnieniem atmosfe¬ rycznym, a korzystnie od 2225 do 3115 kcal/m8.Ponadto, ze wzgledu na mala ilosc zawartego w ga- 20 zie azotu lub brak azotu oraz niska temperature gtazu w miejscu, w którym opuszcza on piec, jego objetosc jest bardzo mala w porównaniu z objeto¬ scia gazów uzyskiwanych poprzednio opisanymi sposobami. Taka mala objetosc gazu nie wymaga 25 zadnego specjalnego oczyszczania poza oddziele¬ niem/ w odpowiednio latwy sposób, czastek ciala stalego. Temperatura gazu na wylocie z pieca jest nizsza od 260°C i moze byc utrzymywana w gra¬ nicach temperatur od 80°C do 120°C. Jest to dziw- 30 ne, jesli wezmie sie pod uwage, ze nawet w duzej, przemyslowej instalacji o wysokosci okolo 6 me¬ trów utrzymuje sie w dole pieca temepartury rze¬ du 1650°C w celu stopienia i utrzymywania w sta¬ nie plynnym metalu i zuzla. 35 Fig. 1 przedstawia schematyczny, pionowy prze¬ krój pieca szybowego i wspóldzialajacych apara¬ tów uzywanych w sposobie wedlug wynalazku. Fig. 2 przedstawia schemat ukladu do przeróbki odpad¬ ków, stosowany w sposobie wedlug wynalazku. 40 Fig. 3 przedstawia wykres zaleznosci miedzy do¬ prowadzona energia cieplna a temperatura do ja¬ kiej zostal wstepnie podgrzany gaz utleniajacy dla róznych stezen tlenu w gazie utleniajacym.Na fig. 1 przedstawiony jest reaktor szybowy 45 lub piec 1, w którego górnej czesci mozna wyróz¬ nic strefe suszenia 2, w czesci srodkowej strefe roz¬ kladu termicznego 3, a w dolnej czesci strefe spa¬ lania i stapiania 4. W najwyzszej czesci pieca jest wolna przestrzen 5, w której gaz oddziela sie od 5o wiekszych, unoszonych wraz z gazem czastek ciala stalego. Piec szybowy 1 moze byc zbudowany w po¬ staci cylindrycznej, metalowej konstrukcji, w. któ¬ rej strefa spalania i stapiania 4, która czesto na¬ zywa sie równiez dnem paleniska wylozona jest, 55 nie pokazana na rysunku, cegla ogniotrwala, od¬ porna na wysoka temperature rzedu 1650°C utrzy¬ mywana w palenisku 4. Czesc strefy suszenia Z pieca szybowego moze byc zbudowana tylko z me¬ talu, lub miec dodatkowa izolacje, której nie po- 60 kazano na rysunku, w celu utrzymywania ciepla i zapewnienia bardziej wyrównanych temperatur we¬ wnatrz pieca. Piec szybowy 1 jest zaopatrzony w otwór 6 do doprowadzenia gazu utleniajacego, otwór wylotowy gazu 7 i otwór spustowy 8 dó wy- cs puszczania stopionego (materialu. Odpadki wprowa-78 9 dza sie do dozownika 9, zaopatrzonego w zasuwe 10, skad zsypuja sie do zsypu 11, przylswierdzonego na stale do szczytu pieca szybowego. Zasuwe 12 uruchamia sie w polaczeniu z zasuwa 10, w celu utrzymania szczelnosci reaktora szybowego 1 pod¬ czas zasilania go odpadkami.W czasie pracy urzadzenia, nie wymagajace wstepnej obróbki odpadki 13 wrzuca sie do dozow¬ nika 9. Jako zasuwy 10 i 12, mozna stosowac za¬ wory suwakowe lub przepustnice. Dzialaja one w sposób wzajemnie uzalezniony, w celu utrzymania szczelnosci i pewnego nadcisnienia wewnatrz pieca szybowego podczas zasilania go odpadkami. Uzy¬ skuje sie to przez otwarcie zasuwy 10 przy jedno¬ czesnym utrzymywaniu zasuwy 12 w pozycji zam¬ knietej. Odpadki 13 z dozownika 9 zsypuja sie do zsypu 11. Teraz zamyka sie zawór 10 a otwiera za¬ wór 11. Odpadki z zsypu 11 spadaja do wnetrza pieca.Oczywiscie, w przypadku potrzeby zastosowania dozowania ciaglego, w miejsce zaworów suwako¬ wych lub przepustnic, nalezy zastosowac jeden za¬ wór obrotowy. Zawór taki utrzymuje szczelnosc urzadzenia, podczas ciaglego zasilania materialem stalym. Jednakze, taki uklad wymaga rozdrobnie¬ nia odpadków na czastki o rozmiarach, dostosowa¬ nych dó rozmiarów wolnych przestrzeni zaworu obrotowego.Wrzucone do pieca 1 odpadki, przechodza przez strefe suszenia 2, gdzie odparowuje wiekszosc za¬ wartej w nich wilgoci. Temperature w strefie 2 szczególnie w jej górnej czesci, otrzymuje sie poni¬ zej temperatury 260°C, korzystnie, w granicach temperatur od 80°C do 120°C. Wysuszone odpadki przesuwaja sie pod wlasnym ciezarem w dól pieca szybowego 1 do strefy rozkladu termicznego 3, w której latwopalne substancje organiczne rozkla¬ daja sie, tworzac glównie wegiel, tlenek wegla, wodór i pare wodna, oraz mniejsze ilosci dwutlen¬ ku wegla i gazowych substancji organicznych. "Me- tal, spoiwa, szklo i podobne niepalne substancje, wraz z wytworzonym weglem przesuwaja sie w dól pieca szybowego do strefy spalania i stapiania 4, w której wegiel reaguje, z wydzieleniem ciepla, z ga¬ zem utleniajacym 14 wchodzacym do pieca wlo¬ tem 6.W reakcji wytwarza sie cieplo, niezbedne do stopienia czesci metalicznych zawartych w odpad¬ kach oraz przeksztalcenia szkla i innych spoiw w plynny zuzel, który zbiera sie w zbiorniku 15 na dnie pieca szybowego 1. Zbiornik 15 plynnego me¬ talu i zuzla zaopatrzony jest w przelew 16. Metal i zuzel, splywajace z pieca szybowego 1, poprzez otwór 8 splywaja kanalem 18, wylozonym ognio¬ trwalym materialem, do wypelnionego woda zbior¬ nika 19, w którym nastepuje zestalenie metalu i zu¬ zla w formie granulek. Zestalone granulki opa¬ daja na dno zbiornika. Poziom wody 20 w zbior¬ niku 19 zamyka dolny wylot kanalu 18, w celu utrzymania odpowiedniego cisnienia w piecu. Sto¬ piony metal i zuzel w zbiorniku 15, maja tenden¬ cje do rozdzielania sie w redukcyjnych warunkach panujacych na dnie pieca. Ciekly zuzel tworzy w zbiorniku 15, czego nie pokazano na rysunku, warstwe górna, pokrywajaca stopiony metal. W re- 104 10 zultacie, zuzel i metal moga splywac jako oddziel¬ ne strumienie. Jesli stosuje sie takie chlodzenie jak pokazano na fig. 1, wówczas tworza one w pozostalosci 22 oddzielne czastki metalu i zuzla, 5 które mozna rozdzielic od siebie tak prostymi spo¬ sobami, jak na przyklad, przy pomocy magnesu.Przy panujacych w dole pieca warunkach lagodnie utleniajacych, tworzy sie zuzel plynny, zawieraja¬ cy metal glównie w postaci utlenionej. w Gorace gazy spalinowe, powstajace w wyniku spalenia wegla w strefie 4, zawierajace glównie, ze wzgledu na utrzymywane tam warunki reduku¬ jace, tlenek wegla i wodór, przeplywaja w prze- ciwpradzie do odpadków, najpierw przez strefe 15 termicznego rozkladu 3, gdzie traca czesc energii cieplnej na termiczny rozklad czesci organicznych odpadków. Nastepnie wraz z wytworzonymi w tej strefie gazami, przechodza do strefy suszenia 2, gdzie oddaja znaczna czesc ciepla na odparowanie 20 wilgoci z odpadków. Produkty gazowe opuszczaja¬ ce piec szybowy 1 wylotem 7 zawieraja pare wod- ~ na, lotne skladniki odpadków oraz zawarty w gazie utleniajacym 14, azot. Dodatkowo, gaz wylotowy 23 zawiera porwane, male czastki lotnego popiolu i 25 mgle skroplonych, cieklych zwiazków organicznych.Sklad gazu wychodzacego wylotem 7, z pieca szybowego 1 zalezy w pewnym stopniu od rodza¬ ju odpadków. Jednakze, ze wzgledu na ostre wa¬ runki utrzyinywiane w piecu, sklad gazu 23 jest sto-' 80 sunkowo staly i zawiera sie, w granicach podanych w tabeli 1.Tabela 1 CO H2 co2 co4 Wyzsze Analiza % do gazu objetosciowy w stosunku 1 objetosci suchego substancje organiczne Azot 32—54 18—31 9—25 2—6 0,5^-2 0,2—30 gazu Ilosc zawartego w gazie azotu mozna okreslic na podstawie ilosci azotu w gazie utleniajacym. Jesli uzywa sie czystego tlenu, ilosc azotu zawartego w gazie wylotowym stanowi mniej niz 1%, natomiast, gdy gaz utleniajacy zawiera tylko 40% tlenu, ilosc azotu w produktach gazowych wynosi okolo 30%.Ilosc pary wodnej zawartej w wilgotnym gazie wy¬ lotowym waha sie w granicach od okolo 25% do 55% objetosciowych i zalezy przede wszystkim od ilosci nie zwiazanej wilgoci w odpadkach. Zwykle para wodna stanowi okolo 40% objetosciowych ga¬ zu wylotowego.Wartosc cieplna tego gazu liczona dla gazu su¬ chego waha sie w granicach od 1780 do 3115 kcal/m3, przy temperaturze 21°C i pod cisnieniem atmosferycznym. Z podanej powyzej tabeli 1 wy¬ nika, ze co najmniej 50% gazu stanowi tlenek wegla i wodór. Gaz taki jest uzyteczny jako gaz opa-78104 11 12 lowy, poniewaz posiada wysoka wartosc opalowa, oraz jako gaz do syntezy, na przyklad, metanolu.Suchy produkt gazowy ma podobna charakterysty¬ ke wymiany ciepla oraz temperature zaplonu, co gaz naturalny. W dodatku, jego stosunkowo mala 5 objetosc wynikla z niewielkiej zawartosci azotu oraz niskiej temperatury, czyni jego pózniejsze o- czyszczanie z zawartego w nim lotnego popiolu i wilgoci stosunkowo prostym i niedrogim. Pozwa¬ la to, w niezbyt drogi sposób, prowadzic oczysz- 10 czanie gazu przed jego calkowitym utlenieniem.Gaz 23 plynacy rura 24 oczyszcza sie w skru- berze 25. Zanieczyszczenia, takie jak: lotny popiól, HC1, NO, S02 i skraplajace sie w tej temperatu¬ rze zwiazki organiczne, wymywa sie z gazu dobrze 15 znanymi w chemii sposobami. Opuszczajacy skru- ber 25 gaz 31 przepuszcza sie przez skraplacz 26, gdzie nastepuje wykroplenie prawie calej, zawartej w gazie prary wodnej. W ten sposób wytwarza sie osuszony gaz o skladzie podanym w tabeli 1. Uzy- 20 "wana do mycia gazu woda, zawierajaca kondensat wykroplony w skraplaczu 26, splywa w dól, wew¬ natrz skrubera 25, gdzie przemywa gaz, a nastep¬ nie zbiera sie w osadniku 28. Do scieków zebra¬ nych w osadniku 28 mozna dodac, na przyklad we- 25 glan sodowy, w celu neutralizacji obecnego w scie¬ kach kwasu solnego i innych kwasów.Scieki w osadniku 28 rozdziela sie na warstwe 29, która jest warstwa wyzsza i na nizsza war¬ stwe wodna 30. Warstwa lub faza organiczna 29, 30 zawiera glównie skroplone weglowodory i troche lotnego popiolu. Lotny popiól zawarty w warstwie wodnej 30, moze byc z niej wydzielony przez, na przyklad, filtracje. Czesc oczyszczonej wody ze scieków mozna zawrócic i uzyc do przemywania 35 gazów w skruberze. Odsaczony lotny popiól mie¬ sza sie z warstwa organiczna 29 i zawraca do pie¬ ca 1, tak jak pokazano na fig. 2. Pozostala, oczy¬ szczona wode ze scieków wydala sie z ukladu.Fig. 2 przedstawia schemat ukladu do calkowi- *° tego przerobu odpadków zgodnie ze sposobem we¬ dlug wynalazku. Odpadki 31 i tlen 32 lub powie¬ trze wzbogacone tlenem, zawierajace co najmniej 40% Oj wprowadza sie do pieca 33, gdzie naste¬ puje rozklad odpadków na stopiony metal i zuzel, 45 które nastepnie spuszcza sie z dolu pieca jako po¬ zostalosc 34. Ze szczytu kolumny 33 wyplywa wil¬ gotny gaz 35, który kieruje sie do skrubera 36.Wychodzacy ze skrubera gaz 37 mozna skierowac bezposrednio do wytwórni tlenu 38 lub do skrapla- 50 cza 39. Jesli mozna pominac skraplacz 39, wówczas zamyka sie zawory 40 i 41, a otwiera zawór 42.Wilgotny gaz ze skrubera 36 omija rurociagiem 43 skraplacz 39, czesc jego kieruje sie rura 46 do wy¬ twórni tlenu 38, a reszte wypuszcza z ukladu rura 55 44 jako produkt gazowy. Jesli gaz powinien byc osuszony, wówczas zamyka sie zawór 42, a otwiera zawory 40 i 41. Wilgotny gaz wpuszcza sie do skra¬ placza 39 z woda chlodzaca 57, sluzaca do odpro¬ wadzania ciepla kondensacji. Skropliny 45 wykro- 60 plone z gazu 37 splywaja do skrubera 36. Osuszony gaz, wychodzacy ze szczytu skraplacza 39 kieruje sie czesciowo do wytwórni tlenu 38, gdzie sluzy jako paliwo. W instalacji tej, gaz opalowy spala sie z powietrzem 47, w celu wytworzenia energii es potrzebnej do wydzielenia pozadanej lub wiekszej ilosci tlenu z powietrza 48. Gaz opalowy moze byc zuzyty w instalacji 38 bezposrednio, na przyklad, w turbinie gazowej, lub posrednio, do wytworzenia pary lub energii elektrycznej.Wytwórnia tlenu 38 moze byc instalacja typu konwencjonalnego, taka jak: instalcja do destylacji cieklego powietrza lub instalacja do selektywnej adsorpcji. Ta druga instalacja moze pracowac albo przy zmiennym cisnieniu, albo przy zmiennej tem¬ peraturze. Kazdy z tych typów instalacji do pro¬ dukcji tlenu, jest dobrze znany w technologii che¬ micznej. Spalenie tlenu 47 i gazu opalowego 46 powoduje wytworzenie gazu spalinowego 49, a po¬ wstala energia pozwala na wydzielenie tlenu 32 z powietrza 48. Tlenem 32 zasila sie piec 33, a azot i pozostale gazy 50 wypuszcza sie do atmosfery lub wydziela z nich cenniejsze gazy. Scieki 51 ze skru¬ bera 36 splywaja do osadnika 52, gdzie rozdziela sie je na warstwe wyzsza, organiczna 53 i nizsza war¬ stwe wodna 54. Warstwe wodna 54 kieruje sie do filtru 55, gdzie wydziela sie z wody 57 lotny po¬ piól 56. Czesc oczyszczonej wody 57 zawraca sie ru¬ rociagiem 58 do skrubera 36, a nadmiar wody wy¬ puszcza sie z ukladu. Lotny popiól 56 kieruje sie do mieszalnika 60, gdzie miesza sie go z warstwa organiczna 56 z osadnika 52. Mieszanine lotnego popiolu i cieklych substancji organicznych 61 za¬ wraca sie do pieca 33.Mozna równiez odwrócic kolejnosc etapów oczy¬ szczania i suszenia, to jest skruber 36 mozna umie¬ scic zarówno przed jak i po skraplaczu 39. Jesli etap oczyszczania nastepuje po etapie osuszania, wówczas wode ze skraplacza odprowadza sie bez¬ posrednio do osadnika. W tym przypadku, zamiast skrubera mozna uzyc jakiegokolwiek urzadzenia do oczyszczania gazu, na przyklad, takiego jak filtry elektrostatyczne, filtry workowe lub cyklony.W takim zintegrowanym ukladzie, jak pokazany na fig. 2, surowcami sa tylko odpadki i powietrze, a jedynymi produktami uzyteczne paliwo lub gaz do syntezy, zbita pozostalosc skladjaca sie z zesta¬ lonego metalu i zuzla oraz niewielka ilosc odpad¬ kowej wody wypuszczanej po odpowiedniej obrób¬ ce. Ponadto, taki uklad przetwórczy tlenowo-od- padkowy jest samowystarczalny. Do mycia gazu wychodzacego z pieca uzywa sie wykroplonej w skraplaczu wody, do zasilania wytwórni tlenu w energie, uzywa sie tylko czesc wyprodukowanego gazu. Poniewaz tylko niewielka czesc gazu zuzywa sie jako paliwo w wytwórni tlenu, wieksza czesc wyprodukowanego gazu mozna zuzytkowac jako czyste, suche lub wilgotne paliwo lub gaz do syn¬ tezy. Mozna stwierdzic, rozpatrujac taki system ja¬ ko calosc, ze jest on producentem uzytecznej ener¬ gii. Inaczej mówiac, zawarta w odpadkach, bezuzy¬ teczna, energie potencjalna przemienia sie w czy¬ sty, uzyteczny gaz opalowy, cenny produkt przy coraz bardziej odczuwalnych brakach zródel ener¬ gii.Fig. 3 ilustruje trudnosci wymiany ciepla, które napotyka sie przy próbie utrzymania temperatury 1650°C w warunkach redukujacych tlenki do zela¬ za, w dolnej czesci pieca szybowego, jesli uzy¬ wa sie podgrzanego powietrza jako gazu utlenia-78 104 13 14 Tjacego. Temperatura okolo 1650°C w dole pieca, potrzebna jest dla zapewniania mozliwosci wypusz¬ czania metalu i zuzla w stanie plynnym. Rzedna wykresu na fig. 3 jest „cieplna sila napedowa".Jest to miara wielkosci przy której cieplo, w wa¬ runkach redukcji, moze przechodzic z gazowego utleniacza do cial stalych znajdujacych sie w dole pieca w temperaturze 1650°C lub zblizonej. Ciepl¬ na sila napedowa ma wymiar temperatury i jest -definiowana jako zawarta w gazie energia, która moze zostac przeniesiona w postaci energii ciepl¬ nej, w temperaturze ponad 1650°C, podzielona przez pojemnosc cieplna produktów spalania. Sila ta mo¬ ze byc obecna albo wylacznie jako cieplo odczu¬ walne (energia ruchu czasteczek) i w tym wypad¬ ku jest scisle przyblizona temperatura powyzej 1650°C, albo jako polaczenie ciepla odczuwalnego i innych rodzajów energii, które moga sie przeno¬ sic na powierzchni ciala stalego.Reakcje spalania zachodzaca w palenisku pieca mozna przedstawic w nastepujacy sposób: [2C(1650°Q+02(T°C) + (RN2/T°C) = 2CO+RN2] Zweglona masa, bedaca zasadniczo czystym we¬ glem, zsuwa sie do paleniska pieca ogrzana do tem¬ peratury bliskiej temperaturze 1650°C. Utleniacz wchodzi do pieca z temperatura T, zalezna od stop¬ nia wstepnego podgrzania. W panujacych w dole pieca warunkach redukcyjnych, najwyzszym stop¬ niem utleniania w gazie, jest tlenek wegla. Ciepl¬ na sila napedowa powyzej temperatury 1650°C mo¬ ze byc obliczona dla warunków panujacych w pie¬ cu, z nastepujacego równania: i _/j_\ /77700 + 1,8 J— 22900 R \ r~U/ l 8,6 (2+ R) / gdzie: T— = cieplna sila napedowa (°C) J = energia potrzebna do podgrzania utleniacza powyzej temperatury 26,7°C nu w utleniaczu) R = ilosc g moli N2 w stosunku do ilosci g moli O2 w utleniaczu.Wykres przedstawiony na fig. 3 pokazuje, ze mozna osiagnac duzy wzrost cieplnej sily napedo¬ wej przez uzycie zamiast podgrzanego powietrza, powietrza wzbogaconego tlenem lub czystego tlenu.Przy uzyciu czystego tlenu o temperaturze poko¬ jowej, cieplna sila napedowa o wartosci 2500°C, jest ponad czterokrotnie wieksza od wartosci 593°C dla powietrza podgrzanego do tempeatury 980°C.Dla odpowiedniego postepowania przy róznych mie- szankch odpadków, stwierdzono, ze cieplna sila na¬ pedowa musi wystepowac w nadmiarze okolo $10°C. Stad, jak widac z wykresu na fig. 3, trzeba uzywac gazu utleniajacego zawierajacego co naj¬ mniej 40% objetosciowych tlenu, jesli chce sie uniknac podgrzewania gazu powyzej 200°C. W in¬ stalacji przemyslowej, gdzie niepozadane jest wstepne podgrzewanie gazu utleniajacego, korzyst¬ ne jest uzywanie utleniacza zawierajacego wiecej :niz 42% tlenu, poniewaz dopiero przy takim gazie utleniajacym mozliwe jest osiagniecie wiekszej war¬ tosci cieplnej sily napedowej niz 870°C, bez wstep¬ nego podgrzewania gazu.Istnieja w technologii propozycje dodawania po¬ mocniczego paliwa do podgrzanego powietrza, w celu podniesienia szybkosci przenoszenie ciepla w dole pieca. Jednakze, w wielu wypadkach jest to bezuzyteczne, co wiecej, w wielu przypadkach wy¬ woluje to ujemne skutki, gdyz moze spowodowac raczej spadek, niz wzrost cieplnej sily napedowej.Jesli, na przyklad, do dolu pieca doprowadza sie metan, który reaguje z powietrzem podgrzanym do temperatury 980°C, reakcje te mozna przedstawic w nastepujacy sposób: CH4+0,5 Oa+1,88 Ni=»O0+2Ht+l,88 N* Jesli na dnie pieca utrzymuje sie; warunki redu¬ kujace, jako jedyny produkt spalania uzyskuje sie tlenek wegla, gdyz dwutlenek wegla i para wodna sa w tych warunkach termodynamiczne niestabilne.Temperatura równowagowa dla produktów spala¬ nia w tych warunkach wynosi zaledwie 760°C, za¬ tem cieplna sila napedowa wynosi ponizej 1650°C i jest ujemna. Dlatego wiec, wprowadzenie meta¬ nu powoduje raczej ochlodzenia dna pieca niz jego ogrzanie. Widac stad, ze uzycie paliwa pomocni¬ czego moze okazac sie nieskuteczne dla wzrostu wymiany ciepla w palenisku.Niespodziewanie stwierdzono, ze pozadana jest bardzo niska, krytyczna ilosc tlenu mianowicie od 0,15—0,28 kg 02/kg odpadków. Uzywa sie tak ma¬ lych ilosci tlenu, gdyz sposób, wedlug wynalazku, odznacza sie wysoka sprawnoscia cieplna i mini¬ malna iloscia traconej energii. Wysoka sprawnosc cieplna osiaga sie dlatego, ze przeciwpradowe wa¬ runki prowadzenia procesu powoduja maksymalne •wykorzystanie wysokiej cieplnej sily napedowej produktów spalania wychodzacych z dolu pieca, o- raz dlatego, ze utrzymuje sie w równowadze sto¬ sunek przeplywu mas wznoszacego sie do góry ga¬ zu i zsuwajacego sie materialu stalego. Wysoka, cieplna sila napedowa wynika z duzej szybkosci wymiany ciepla pomiedzy wznoszacymi sie gaza¬ mi i zsuwajacymi sie stalymi odpadkami. Spra¬ wia to, ze odpadki rozkladaja sie szybko, z mini¬ malna strata ciepla do otoczenia. Bilans masowy unoszacego sie gazu i zsuwajacych sie odpadków wymagany jest dla zabezpieczenia, by energia nie opuszczala bezuzytecznie reaktora w postaci energii cieplnej. Ilustracje tego stanowi przyklad, w któ¬ rym jesli piec zasilimy od góry jedna tona odpad¬ ków, a od dolu 0,2 tony Ot, wówczas powstanie okolo jednej tony produktów gazowych, które wyj¬ da góra pieca, a z dolu zostanie wypuszczone okolo 0,2 tony stopionej pozostalosci.Tak wiec, stosunki mas unoszacych sie gazów i zsypujacych sie stalych odpadków maja wartosci scisle okreslone i bilans ten utrzymuje sie w ca¬ lym szybie. Ze szczytu pieca odchodzi w przyblize¬ niu jedna tona gazów na kazda tone wprowadzo¬ nych odpadków, a z dna pieca, na 0,2 tony wpro¬ wadzanego 02 odchodzi 0,2 tony pozostalosci. Jak wynika z tego bilansu, pomiedzy przeplywajacymi w szybie strumieniami zachodzi bardzo skuteczna wymiana ciepla. Potwierdza to fakt, ze temperatu- 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 6015 78104 16 ra gazów opuszczajacych szczyt pieca wynosi za¬ ledwie okolo 93°C. A wiec, strata energii spowo¬ dowana cieplem gazów wylotowych, jest prawie niezauwazalna.Z utrzymywania stosunku zuzywanego tlenu w granicach od 0,15 do 0,28 wynikaja liczne korzysci.Najbardziej rzucaja sie w oczy oszczednosci zwia¬ zane z malym zapotrzebowaniem tlenu, pomniejsza to znacznie wysokie koszty zwiazane z uzywaniem czystego tlenu. Równie wazny jest fakt, ze pomimo malego zuzycia tlenu, palenisko utrzymywane jest w warunkach redukcji chemicznej, które umozli¬ wiaja raczej stopienie metali, glównie zelaza, niz ich utlenienie, oraz rozpuszczenie wegla w metalu, co obniza jego temperature topnienia, powodujac, ze jest on bardziej plynny i latwiejszy do spu¬ szczania. Dalsze korzysci dotycza latwopalnych ga¬ zów opuszczajacych reaktor szybowy. Stosowanie krytycznego stosunku wagowego tlenu do odpad¬ ków w reaktorze, to jest, uzywanie ilosci tlenu zna¬ cznie mniejszych niz sa wymagalne dla stechiometry- cznego spalenia odpadków, powoduje wytworzenie gazu o wysokim stezeniu latwopalnych skladników takich jak: tlenek wegla i wodór. Gaz taki mozna stosowac jako gaz do syntezy chemicznej, takiej jak, na przyklad, synteza metanolu lub jako gaz redukujacy, stosowany do redukcji rudy zelaza do zelaza metalicznego. Z drugiej strony, mozna ko¬ rzystnie utylizowac wartosc opalowa latwopalnego gazu przez calkowite spalanie gazu.Chociaz korzystnie jest prowadzic sposób tak, aby w palenisku pieca utrzymac warunki redukujace, to mozna równiez prowadzic go w warunkach lek¬ ko utleniajacych. Wtedy zelazo i inne metale moga utleniac sie i tlenki ich stanowia czesc zuzla. W tych warunkach, na dnie pieca tworzy sie tylko je¬ dna faza stopionego zuzla, gdyz metal i zuzel nie rozdzielaja sie na oddzielne fazy, tak jak wówczas, gdy w dole pieca panuja warunki redukujace. Jed¬ nakze, nawet w warunkach lekko utleniajacych, stosunek tlenu do odpadków moze nie przekraczac stosunku 0,28 do 1. Obnizenie tego stosunku spowo¬ duje, ze w spodku pieca beda panowaly warunki bardziej redukujace. Oznaka otrzymania w proce¬ sie wedlug niniejszego wynalazku, wiekszej wydaj¬ nosci cieplnej, jest uzyskanie wiekszej szybkosci spalania. Szybkosc spalenia definiowana jest jako ilosc kilogramów odpadków spalonych w ciagu go¬ dziny, przypadajacych na metr kwadratowy po¬ wierzchni przekroju poprzecznego pieca i zwykle, dla konwencjonalnych procesów spalania wynosi okolo 294 kg/godz. m3. Sposobem wedlug wynalaz¬ ku osiaga sie latwo szybkosci spalania wieksze niz 1220 kg (godz. m3), zwiekszajac tym samym calko¬ wita wydajnosc procesu i zmniejszajac wymiary pieca potrzebnego do przerobu danej ilosci odpad¬ ków.Dalsza, znaczna róznica miedzy sposobem wedlug wynalazku a wczesniej wspomnianymi procesami spalania jest rodzaj gazu opuszczajacego piec szy¬ bowy. Gaz otrzymywany sposobem wedlug wynalaz¬ ku zawiera od 25 do 55% wody, zwykle okolo 40% objetosciowych, chociaz calkowita ilosc wyproduko¬ wanej wody na tone spalonych odpadków jest mniejsza niz przy uzyciu konwencjonalnych sposo¬ bów spalania. W przeciwienstwie do tego, stezenie pary wodnej w gazach spalinowych wytwarzanych w sposób typowy wynosi zaledwie okolo 10%. Wy¬ sokie stezenie pary wodnej pozwala na wydajniej- 5 sze jej usuwanie z gazu wyprodukowanego sposo¬ bem wedlug wynalazku i daje mozliwosc uzycia skroplonej pary wodnej, jako cieczy majacej gaz w skruberze. W ten sposób, zmniejsza sie do mi¬ nimum problem zanieczyszczenia swiezej, dodawa¬ nej do skrubera, wody.Jednakze, wyprodukowane tymi sposobami gazy róznia sie glównie skladem. Gaz opuszczajacy piec szybowy zawiera, liczac na gaz suchy, co najmniej 50% objetosciowych tlenku wegla i wodoru i za¬ wiera sie w granicach podanych w Tabeli 1. Jeslim jako gaz utleniajacy stosuje sie czysty tlen i od¬ padki miejskie o przecietnym skladzie, stezenie tlenku wegla i wodoru wynosi, odpowiednio, oko¬ lo 50 i 30 procent objetosciowych. Tak wiec, moze osiaglac wartosc opalowa powyzej 1780 kcal/m3 przy temperaturze 21°C i pod cisnieniem atmosfe¬ rycznym.Wazna cecha sposobu wedlug wynalazku jest etap oczyszczania gazu, to jest mycia i suszenia; który nastepuje bezposrednio po wyjsciu gazu z pieca szybowego. W opisanych wczesniej sposobach, etap oczyszczania nastepowal dopiero po calkowitym do¬ paleniu gazów spalinowych w drugiej komorze spa¬ lania, i mial na celu zmniejszenie zanieczyszczenia powietrza obecnymi w gazie spalinowym zanieczy¬ szczeniami.W sposobie wedlug wynalazku oczyszcza sie tyl¬ ko niewielka ilosc gazu. Poniewaz calkowita ilosc zanieczyszczen obecnych w strumieniu gazowym jest wprost proporcjonalna do objetosci strumienia, znaczne obnizenie ilosci zanieczyszczen wypuszcza¬ nych do atmosfery jest efektem zatezenia zanie¬ czyszczen przed oczyszczaniem.Mala objetosc gazu opuszczajacego piec szybowy jest, w sposobie wedlug wynalazku, spowodowana kilkoma czynnikami: takimi jak niewielki stosunek wagowy tlenu do odpadków powoduje niestechio- metryczne spalanie, co daje w rezultacie mniejsze masy czastkowe produktów spalania niz przy cal¬ kowitym spalaniu, uzycie czystego tlenu lub po¬ wietrza wzbogaconego tlenem, powoduje tylko mi¬ nimalne rozcienczenie spalin azotem, oraz niska temperatura gazu na wylocie z pieca szybowego wynika z duzej wydajnosci cieplnej pieca. Tempe¬ ratura ta jest o kilkaset stopni nizsza, niz tempe¬ ratura gazu spalinowego wychodzacego z drugiej komory spalania, w konwencjonalnej metodzie spa¬ lania.Stwierdzono, ze w czasie prowadzenia procesu palne gazy wychodzace ze szczytu pieca szybowe¬ go 33 zawieraja mgle skroplonych substancji orga¬ nicznych, oraz lotny popiól. Mieszanina ta tworzy czasem lepka mase czepiajaca sie scianek rurocia¬ gu 35, która moze z czasem zatkac rurociag. Stwier¬ dzono, ze dodatek wody lub innej rozpylonej cie¬ czy, do strumienia gazu wewnatrz rury 35, w po¬ blizu wylotu z pieca, zabezpiecza przed tworzeniem lepkiej masy i oblepianiem scianek rurociagu 35_ Mozna do tego uzyc wody zawracanej rurocia¬ giem 57. 15 20 25 30 35 40 45 50 55 6078104 17 18 W celu bezpiecznego prowadzenia sposobu we¬ dlug wynalazku niezbedne jest utrzymywanie w -aparatach cisnienia troche wyzszego od atmosfery¬ cznego, W celu zabezpieczenia przed naplywem do pieca, powietrza z zewnatrz, niezbedne jest nadcis¬ nienie co najmniej równe 6,4 mm slupa wody.Zwazywszy, ze wytwarzany w piecu gaz jest mie¬ szanina bardzo latwopalna, dopuszczenie powietrza atmosferycznego z zewnatrz pieca moze spowodo¬ wac powazny wybuch. Tak wiec, w sposobie, we¬ dlug wynalazku nie moze byc tolerowane podcis¬ nienie, . wystepujace czesto ' w konwencjonalnych sposobach spalania.Podane nizej przyklady objasniaja sposób wedlug wynalazku.Przyklad I. W doswiadczeniu uzywa sie pie¬ ca szybowego o wysokosci 2,44 metra i powierzch¬ ni przekroju okolo 580 cm2, takiego jak na fig. 1.Do dolnej czesci pieca doprowadza sie, czysty tlen z szybkoscia 10,3 m3/h. Góra wrzucane sa, z szyb¬ koscia 60,3 kg/h odpadki, zawierajace drewno, pa¬ pier, wode, metal i szklo.Przyblizony sklad odpadków przedstawia sie na¬ stepujaco: Niezwiazana chemicznie wilgoc Wegiel Wodór Tlen Metal Szklo % wagowe 23,2 25,8 3,6 28,8 8,7 9,9 Suma 100,0 Podczas ustalonego prowadzenia procesu, stopio¬ ny metal i szklo wypuszcza sie w sposób ciagly otworem spustowym umieszczonym w dnie pieca. <*az spalinowy opuszcza szczyt szybu z szybkoscia 0,71 m3/minute liczac na gaz suchy i z szybkoscia 1,3 m3/minute liczac na gaz wilgotny, z przeciet¬ na temperatura 93°C. Odpowiada to stosunkowi 4537 m3 suchego gazu/tone odpadków lub 1190 m3 wilgotnego gazu/tone odpadków. Zuzycie tlenu wy¬ nosi 0,22 tony tlenu/tone odpadków, a wspólczyn¬ nik spalania 1040 kg odpadków (godz. m2) powierz¬ chni przekroju poprzecznego szybu.Wyniki analizy gazu spalinowego liczone na su¬ chy gaz, sa nastepujace: pieca. Szybkosc gazu wychodzacego ze szczytu pie¬ ca szybowego waha sie w granicach od 0,88 do 1,03 m3/minute liczac na gaz suchy i od 1,63 do 1,98 m3/minute uczac na gaz wilgotny* a jego srect- 5 nia temperatura wynosi 93°C. Odpowiada to sto¬ sunkowi od 566 do 679 kg suchego gazu/tone odT padków lub od 1103 do 1302 kg gazu wilgotnego/ /tone odpadków.Zuzycie tlenu wynosi 0,22 tony tlenu/tone ; od- 10 padków, a szybkosc 1420 kg odpadków/godz* m* powierzchni przekroju poprzecznego szybu.Wyniki analizy gazów spalinowych, liczone na suchy gaz, których próbki pobierano w czasie pra- cy urzadzena, zawieraja sie w nastepujacych grar 15 nicach: . * Tlenek wegla Wodór 20 Dwutlenek wegla Azot Metan Wyzsze weglowodory % objetosciowy 49,4—50,8 27,8^28,6 15,4—16,1 0,2— 0,2 4,1— 5,3 reszta 25 Obliczona wartosc opalowa waha sie dla róznych gazów od 2700 do 2800 kcal/m3 przy temperatu¬ rze 21°C i pod cisnieniem atmosferycznym.Przyklad III. Stosuje sie taki sam piec i sklafi odpaków jak w przykladzie I. Tlen podaje sie do 30 pieca z szybkoscia 18,4 m3/h, a odpadki z szybko¬ scia 107 kg/h. W stanie ustalonym prowadzenia procesu, stopiony metal i szklo spuszcza sie w spo¬ sób ciagly, przez otwór spustowy umieszczony w dnie pieca. Gaz spalinowy opuszcza szczyt szybu 35 z szybkoscia od 1,18 do 1,28 m3/min. liczac na gaz suchy, i od 2,32 do 2,49 m3/min. liczac na gaz wil¬ gotny, a jego srednia temperatura wynosi 110°C.Odpowiada to stosunkowi od 594 do 651 m3 suche¬ go gazu/tone odpadków lub od 1169 do 1273 m8 40 gazu wilgotnego/tone odpadków. Zuzycie tlenu wy¬ nosi 0,22 tony tlenu/tone odpadków, a wspólczyn¬ nik spalania 1840 kg/h m2 powierzchni przekroju poprzecznego szybu.Wyniki analizy gazów spalinowych, liczone na 45 gaz suchy, których próbki pobrano w czasie pra¬ cy urzadzenia, zawieraja sie w nastepujacych gra¬ nicach: Tlenek wegla Wodór Dwutlenek wegla Azot Metan Wyzsze weglowodory % objetosciowe 47,5 28,4 1.7,2 0,3 5,5 0,5—1,5 50 ;' 55 Tlenek wegla Wodór Dwutlenek wegla Azot Metan Wyzsze weglowodory % objetosciowy 47,3—54,0 29,4—30,5 11,4—16,4 0,3— 0,4 3,8— 4,5 reszta Wartosc opalowa gazu wynosi 2760 kcal/m3 przy temperaturze 21°C i pod cisnieniem atmosferycz¬ nym.Przyklad II. Stosuje sie taki sam piec i sklad mieszanki, jak w przykladzie I. Tlen podaje sie do pieca z szybkoscia 13,9 m3/h, a odpadki z szybkos¬ cia 82,6 kg/h. W stanie ustalonym prowadzenia pro¬ cesu stopiony metal i szklo spuszcza sie w sposób ^ciagly przez otwór spustowy umieszczony w dnie 60 65 Obliczona wartosc opalowa waha sie dla róznych gazów od 2720-^2830 kcal/m8 przy temperaturze 21°C i pod cisnieniem atmosferycznym.W kazdym z trzech podanych wyzej przykladów, stopiony metal i plynny zuzel spuszcza sie z dna pieca szybowego do zbiornika z woda, gdzie na¬ stepuje takie ustalenie czastek zuzla i metalu, ze mozna je odróznic od siebie i w latwy sposób rozdzielic.78104 19 PL PL PL