dr hab. inż. Grzegorz Wielgosiński Politechnika Łódzka Odpady jako paliwa. Podstawy spalania

Paliwa i spalanie – podstawowe definicje (1) Paliwo – materiał palny, zdolny do wytworzenia w wyniku przebiegu reakcji chemicznych energii cieplnej, mechanicznej lub elektrycznej. W skład paliwa wchodzi substancja palna złożona ze związków chemicznych węgla (C), wodoru (H2) i siarki (S), oraz stanowiące balast substancje mineralne (popiół) a także wilgoć (woda – H2O). Rozróżniamy paliwa stała, ciekłe i gazowe.

Paliwa i spalanie – podstawowe definicje (2) Proces termiczny - zbiór przemian lub przemiana fizyczna, chemiczna albo fizykochemiczna zacho-dząca pod wpływem zmian parametrów termicz-nych (ciśnienie - p, temperatura - t, objętość - v) w określonym środowisku (tlenowym lub beztle-nowym). Ze względu na zakres temperatur rozróżniamy proces termiczny nisko-, średnio-, i wysokotem-peraturowy.

Paliwa i spalanie – podstawowe definicje (3) Spalanie – bardzo szybka reakcja chemiczna paliwa z tlenem (utlenianie), której towarzyszy wydzielenie bardzo dużej ilości ciepła oraz emisja promieniowania. Jest proces termiczny przebiegający powyżej temperatury zapłonu paliwa przy określonym nadmiarze tlenu. Rozróżniamy spalanie homogeniczne i hete-rogeniczne.

Paliwa i spalanie – podstawowe definicje (4) Spalanie homogeniczne – proces spalania w którym paliwo i utleniacz (powietrze, tlen) stanowią jedna fazę – fazę gazową (spalanie gazu w powietrzu). Spalanie heterogeniczne – proces spalania w którym paliwo i utleniacz stanowią dwie różne fazy (ciało stałe – gaz, ciecz – gaz).

Paliwa i spalanie – podstawowe definicje (5) Spalanie kinetyczne – zachodzi w homo-genicznej mieszaninie paliwo - utleniacz. Przerwanie spalania kinetycznego jest praktycznie niemożliwe, płomień rozprze-strzenia się z narastającą prędkością aż do uzyskania wybuchu cieplnego. Spalanie dyfuzyjne - występuje wtedy, gdy brak jest wstępnego wymieszania paliwa z utleniaczem. Spalanie dyfuzyjne daje się stosunkowo łatwo przerwać, usuwając paliwo lub utleniacz ze strefy spalania.

Paliwa i spalanie – podstawowe definicje (6) Spalanie całkowite – zachodzi wtedy, gdy całe paliwo ulegnie utlenieniu (spaleniu). Spalanie zupełne – zachodzi wtedy, gdy wszystkie produkty procesu spalania są niepalne. Spopielanie – proces całkowitej degra-dacji termicznej stałej substancji palnej (spalanie całkowite i zupełne). W praktyce żaden proces spalania nie jest spalaniem ani całkowitym ani zupełnym.

Paliwa i spalanie – podstawowe definicje (7) Piroliza - termiczny rozkład substancji palnej bez dostępu tlenu. Jest to proces endotermiczny. Proces pirolizy przebiega najczęściej w tempe-raturach 450 – 900 °C, przy czym organiczna część paliwa przekształca się w fazę gazową (gazy pirolityczne), fazę ciekłą (oleje pirolityczne) oraz fazę stałą (koks pirolityczny). Piroliza bywa również nazywana odgazowaniem lub uwęglaniem. W zależności od temperatury roz-różniamy: wytlewanie (poniżej 600°C) i koksowanie (powyżej 600°C).

Paliwa i spalanie – podstawowe definicje (8) Zgazowanie – polega na całkowitej przemianie paliw stałych w paliwa gazowe. Proces zgazowania przebiega następująco: powietrze lub para wodna, bądź oba te czynniki razem, przetłaczane są przez rozżarzone warstwy paliwa stałego, przeznaczonego do zgazowania, wskutek czego powstaje tlenek węgla CO i wodór H2. Proces przebiega w warunkach tlenowych, przy ograniczonym dostępie powietrza.

Paliwa i spalanie – podstawowe definicje (9) Współczynnik nadmiaru powietrza  – stosunek rzeczywistej ilości powietrza doprowadzonego do procesu spalania do teoretycznej ilości powietrza niezbędnego do przeprowadzenia spalania całko-witego i zupełnego – ilości wynikającej ze stechio-metrii reakcji spalania (utleniania).

Paliwa i spalanie – podstawowe definicje (10)

Paliwa i spalanie – podstawowe definicje (11) Ciepło spalania – ilość ciepła wydzielona w wyniku spalania jednostki (masy lub objętości) paliwa w następujących warunkach: - Spalanie jest całkowite i zupełne, - Ciśnienie – P i temperatura – T są stałe, - Praca nieobjętościowa jest równa zeru, - Wytworzona w wyniku spalania woda jest w stanie ciekłym, - Azot w produktach występuje w postaci cząstecz- kowej (jako N2), - Zawarta w paliwie siarka występuje po spalaniu w postaci SO2

Paliwa i spalanie – podstawowe definicje (12) Wartość opałowa – ilość ciepła wydzielająca się w wyniku całkowitego i zupełnego spalenia jednostki (masy lub objętości) paliwa, gdy wytwo-rzona w wyniku spalania woda znajduje się w stanie pary. gdzie: wo – wartość opałowa [kJ/kg] zw – zawartość wilgoci w paliwie [%] zp – zawartość substancji niepalnych (popiołu) w paliwie [%] QS – ciepło spalania [kJ/kg] QW – ciepło parowania wody [ok. 2250 kJ/kg]

Paliwa i spalanie – podstawowe definicje (13) Zawartość części lotnych – ilość substancji gazowych (CO2, CO, SO2, N2, H2, CH4, CnHm) wy-dzielających się z jednostki (masy lub objętości) paliwa w wysokich temperaturach, powyżej temperatury zapłonu paliwa. Zawartość popiołu – zawartość substancji niepalnych w paliwie określana jako mineralna pozostałość po spaleniu (całkowitym i zupełnym) paliwa w określonej temperaturze.

Paliwa i spalanie – podstawowe definicje (14) Temperatura zapłonu – jest to minimalna temperatura mieszanki palnej (paliwo – utle-niacz), w której zapala się ona pod wpływem działania czynnik zewnętrznego (np. iskry, obcego płomienia itp.). Temperatura samozapłonu – jest to naj-niższa temperatura otoczenia, w której nas-tępuje samorzutny zapłon paliwa w obecności utleniacza (bez czynnika zewnętrznego – np. źródła płomienia).

Paliwa i spalanie – podstawowe definicje (15) Temperatura wytlewania – jest to najniższa temperatura,w której z ciała stałego wydzielają się gazy tworzące z powietrzem mieszaninę palną lub wybuchową. Zapłon paliwa stałego: - ogrzanie materiału - odparowanie wilgoci, - piroliza (wytlewanie) wewnątrz materiału, - powstanie gazów wytlewnych, - zapłon gazów wytlewnych

Przebieg procesu spalania

Przebieg procesu spalania

Średnie właściwości paliwowe odpadów komunalnych Rodzaj odpadu Ciepło spalania Zawartość wody Zawartość popiołu kJ/kg % Papier/karton 12 300 19,00 12,00 Tworzywa sztuczne 31 500 9,00 8,00 Guma/Skóra 23 300 20,00 Drewno 16 300 5,00 Tekstylia 15 900 22,00 7,00 Odpady organiczne 4 300 65,00 11,00 Odpady kuchenne 10 700 40,00 Odpady ogrodowe 9 500 50,00 Frakcja drobna (poniżej 10 mm) 5 000 Metale 93,00 Odpady inertne 2,00 98,00 Odpady pozostałe 6 700 30,00

Ciepło spalania a wartość opałowa Przykład: papier QS = 12 300 kJ/kg (ciepło spalania), zw = 19 % (zawartość wilgoci) zp = 12 % (zawartość popiołu) wo = 8 058 kJ/kg (wartość opałowa)

Trójkąt Tannera Warunki autoter-micznego spalania odpadów komunal-nych na ruszcie: - zawartość wilgoci < 49,25 % - zawartość substancji niepalnych < 22,4 % - zawartość substancji palnych > 38,1 % - wartość opałowa > 5043 kJ/kg Praktycznie: wo > 6000 kJ/kg

kraje uprzemysłowione kraje średniorozwinięte Skład morfologiczny odpadów komunalnych w zależności od stopnia rozwoju gospodarczego Rodzaj odpadów kraje uprzemysłowione kraje średniorozwinięte kraje rozwijające się papier 35 - 40 % 14 - 30 % 1 - 4 % szkło, ceramika 4 - 9 % 2 - 10 % 1 - 6 % metale 3 - 13 % 1 - 5 % tworzywa sztuczne 4 - 6 % skóra, guma 0 - 1 % 0 - 2 % 0 - 7 % wyroby tekstylne 2 - 4 % 4 - 10 % drewno, kości 0 - 4 % 0 - 6 % 1 - 7 % razem nieżywnościowe 50 - 70 % 30 - 60 % 5 - 20 % resztki żywnościowe 20 - 30 % 25 - 60 % 35 - 80 % inne 4 - 20 % 10 - 30 % 2 - 40 %

Skład morfologiczny odpadów komunalnych

Skład morfologiczny odpadów komunalnych w wybranych miastach Polski

Zmiany składu morfologicznego odpadów Zmiany składu odpadów komunalnych w Londynie w latach 1925 - 1985

Wartość opałowa odpadów w różnych krajach