Pobierz - Katedra Technologii Polimerów
advertisement
POLITECHNIKA GDAŃSKA – WYDZIAŁ CHEMICZNY KATEDRA TECHNOLOGII POLIMERÓW PRZEDMIOT: RECYKLING TWORZYW SZTUCZNYCH I GUMY KIERUNEK: INŻYNIERIA MATERIAŁOWA (STUDIA II STOPNIA) Inżynieria Materiałów Polimerowych LABORATORIUM NR 5 ODZYSK ENERGETYCZNY NIESORTOWANYCH ODPADÓW POLIMEROWYCH GDAŃSK 2013 = RECYKLING ENERGETYCZNY = Recykling energetyczny odpadów tworzyw sztucznych wiąże się nadzieje na globalne rozwiązanie problemu z przetwarzaniem odpadów, które nie mogą być przerobione i zagospodarowane w sposób klasyczny. Dotyczy to w szczególności tych odpadów komunalnych, które stanowią różne typy tworzyw sztucznych, zanieczyszczone dodatkowo innymi substancjami organicznymi (oleje naftowe, tłuszcze, resztki środków spożywczych itp.) i nieorganicznymi (napełniacze mineralne itp.). Odzysk energetyczny jest to proces, w którym odzyskuje się w części energię zużytą na wytworzenie wyrobów i towarów, usuniętych po zużyciu na wysypisko, w tym także odpadów opakowaniowych. Recykling energetyczny obejmuje nie tylko spalanie odpadów, lecz także wytwarzanie z odpadów paliw stałych, ciekłych i gazowych oraz przetwarzanie ich na materiały termoizolacyjne, czyli recykling chemiczny. Przykładem może być makulatura, która w różny sposób uczestniczy w obiegu materiałowoenergetycznym. Spalanie makulatury – to recykling energetyczny. Z kolei materiał termoizolacyjny wytworzony z makulatury można wykorzystać do ocieplania budynków i zaoszczędzić w związku z tym znaczne ilości energii – to również jest recykling energetyczny. Podobnie można zdefiniować energetyczny recykling stłuczki szklanej. Odzysk energetyczny można prowadzić dla każdej grupy materiałowej odpadów osobno. Wymaga on wtedy selektywnej zbiórki, segregacji i selekcji odpadów opakowaniowych. W zależności od rodzaju odpadów i użytej technologii można otrzymać paliwo stałe, ciekłe lub gazowe. Istnieją cztery sposoby postępowania z odpadami: składowanie odpadów tworzyw sztucznych, spalanie odpadów tworzyw sztucznych. Zaletą tego sposobu jest to, iż po jedno lub dwugodzinnym spalaniu objętość resztek nie dających się przetworzyć wynosi około 10% objętości początkowej odpadów, masa odpadów maleje o 40 - 60%. Ponadto ciepło uzyskiwane w czasie spalania może być wykorzystane do produkcji energii elektrycznej lub cieplnej (RECYKLING ENERGETYCZNY), koksowanie odpadów tworzyw sztucznych, powtórne wykorzystanie odpadów tworzyw sztucznych. Bardzo często jako likwidację odpadów z tworzyw sztucznych wskazuje się ich spalanie. Spalanie tworzyw sztucznych w stosowanych powszechnie spalarniach (najczęściej w temperaturze do 1000°C ), powoduje powstanie bardzo toksycznych tlenków węglowodorów w postaci dioksanów - C4H8O2 i furanów - C4H4O przedostających się do atmosfery. Dla uniknięcia emisji tych szkodliwych związków należy stosować instalacje wyposażone w tzw. komory dopalania, w których w temperaturze min 1200°C i nadmiarze powietrza. Są to jednak instalacje niezwykle drogie, dlatego obecnie w Polsce niestety w zasadzie brak jest odpowiednich spalarni odpadów tworzyw sztucznych. Przeprowadzone w drugiej połowie lat 80. w Europie Zachodniej doświadczenia wykazały, że spalanie odpadów SMC (Shed Moulding Compound) w piecu obrotowym w temp. 1000°C (z olejem odpadowym jako dodatkowym paliwem) nie spowodowało emisji szkodliwych związków, uzupełniając wartości opałowe rzędu 10 MJ/kg. Spalano je również w nowoczesnych spalarniach śmieci, co przebiegało bez zakłóceń, ale podwyższało zawartość cynku (środek pomocniczy sterynian cynku) i fluoru w popiele. Potwierdzono również laboratoryjnie że możliwe jest spalanie ok. 20 - 30 kg duroplastów- przy wytwarzaniu każdej tony klinkieru, co pokrywa 8 - 12% zapotrzebowania ciepła, im więcej jest w duroplastach wypełniaczy, tym bardziej zmniejsza się wartość opałowa oraz zwiększa ilość odpadów stałych. Te ostatnie wiążą w sposób trwały substancje szkodliwie zawarte w odpadach (np. metale ciężkie). Nie dotyczy to takich wypełniaczy organicznych (mączki drzewnej), które ulegają całkowitemu spaleniu. = BEZPOŚREDNIE SPALANIE Z ODZYSKIEM CIEPŁA = Wykorzystanie odpadów tworzyw sztucznych jako stałego paliwa do produkcji energii cieplnej charakteryzuje się korzystnymi wskaźnikami sprawności termicznej. Można je traktować wręcz jako substytut innych paliw ciekłych i stałych, do wytworzenia których jest konieczne dodatkowe zużycie energii. Odpady tworzyw sztucznych stanowią zazwyczaj 5-7% masy odpadów komunalnych kierowanych na wysypiska, jednakże charakteryzują się znacznie większą war- tością opałową (35 MJ/kg) niż inne składniki i dzięki temu średnia wartość opałowa strumienia odpadów komunalnych zamyka się zazwyczaj w granicach 6—10 MJ/kg. Odpady komunalne najczęściej są spalane w paleniskach rusztowych, niezbyt dogodnych do tego celu ze względu na oklejanie się rusztu termoplastycznymi polimerami. Korzystniejsze jest więc stosowanie pieców rurowych obrotowych, w których zachodzi piroliza odpadów, połączona z równoczesnym spalaniem jej lotnych produktów pod kotłami parowymi. Spalanie może być też prowadzone w paleniskach ze złożem fluidalnym (800-900°C). Paleniska takie nie znalazły jeszcze dotychczas zastosowania w skali technicznej. Mieszaniny polimerów mogą być również spalane po uprzedniej termicznej depolimeryzacji w wytłaczarkach z ogrzewanymi elementami. Częściowo zdegradowany odpad jest wtryskiwany w postaci cieczy do komory spalania. Możliwe jest również spalanie odpadów z tworzyw sztucznych w złożu pyłowym po ich uprzednim rozdrobnieniu do średnicy ziarna poniżej 100 µm (90%). = CIEPŁO SPALANIA I WARTOŚĆ OPAŁOWA = Najistotniejszą cechą wszystkich paliw jest ich wartość opałowa. Przy ocenie przydatności paliwa stałego rozpatruje się ponadto ciepło spalania, zawartość wody, lotnych części palnych, popiołu, charakterystykę ziarnowa, zdolność spalania się i temperaturę topliwości żużla. Ciepłem spalania Wg nazywana jest ilość ciepła powstała przy spalaniu całkowitym i zupełnym jednostki masy paliwa, przy założeniu, że produkty spalania zostają ochłodzone do temperatury początkowej składników biorących udział w spalaniu, a woda ulega wykropleniu. Wartość opałowa Wd jest liczbowo równa różnicy między wartością Wg a ilością ciepła potrzebnego do odparowania wody zawartej w paliwie oraz powstałej ze spalania wodoru z tego paliwa. Ciepło parowania wody przy 0° C przyjmuje się w technice za 2500 kJ/kg. Ciepło spalania oraz wartość opałowa można wyliczyć w sposób pośredni z wyników analizy elementarnej danego paliwa. TABELA 1. Wartości opałowe najpopularniejszych paliw silnikowych PALIWO BENZYNA LPG (PROPAN - BUTAN) ETANOL METANOL OLEJ NAPĘDOWY [MJ/m3] 29,0 22,2 19,6 14,6 36,0 [MJ/kg] 45,0 34,4 30,4 22,6 42,5 TABELA 2. Wartości opałowe wybranych tworzyw sztucznych POLIMER WARTOŚĆ OPAŁOWA [MJ/kg] ŻYWICA POLIESTROWA POLIETYLEN POLIPROPYLEN POLI(CHLOREK WINYLU) DREWNO WĘGIEL 34 43 44 18 18 32 = CZĘŚĆ EKSPERYMENTALNA = 1. Na wadze analitycznej ustalić tarę 5 tygli porcelanowych. Następnie umieścić w nich odpadowych tworzyw (do każdej parowniczki inny rodzaj). Ponownie zważyć na wadze analitycznej parowniczki z polimerami. 2. Umieścić parowniczki w piecu w sposób zaplanowany, umożliwiający ich identyfikację. Zamknąć piec i ustawić temperaturę na 510C. Po dziesięciu minutach od ustalenia się temperatury, wyłączyć piec. Po chwili otworzyć drzwiczki pieca na parę minut i wyjąć parowniczki do wystudzenia. Po ostygnięciu parowniczek, zważyć je ponownie na wadze analitycznej. 3. Oznaczyć wagowo masę pozostałości niepolimerowej 4. Obliczyć wydajność spalania dla każdej próbki. 5. Przedyskutować wyniki.
