dr hab. inż. Grzegorz Wielgosiński Politechnika Łódzka

Prezentacja na temat: "dr hab. inż. Grzegorz Wielgosiński Politechnika Łódzka"— Zapis prezentacji:

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

2 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.

3 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.

4 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.

5 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).

6 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.

7 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.

8 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).

9 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.

10 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).

11 Paliwa i spalanie – podstawowe definicje (10)

12 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

13 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 kJ/kg]

14 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.

15 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).

16 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

17 Przebieg procesu spalania

18 Przebieg procesu spalania

19 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

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

21 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

22 kraje uprzemysłowione kraje średniorozwinięte
Skład morfologiczny odpadów komunalnych w zależności od stopnia rozwoju gospodarczego Rodzaj odpadów kraje uprzemysłowione kraje średniorozwinięte kraje rozwijające się papier % % 1 - 4 % szkło, ceramika 4 - 9 % % 1 - 6 % metale % 1 - 5 % tworzywa sztuczne 4 - 6 % skóra, guma 0 - 1 % 0 - 2 % 0 - 7 % wyroby tekstylne 2 - 4 % % drewno, kości 0 - 4 % 0 - 6 % 1 - 7 % razem nieżywnościowe % % % resztki żywnościowe % % % inne % % %

23 Skład morfologiczny odpadów komunalnych

24 Skład morfologiczny odpadów komunalnych w wybranych miastach Polski

25 Zmiany składu morfologicznego odpadów
Zmiany składu odpadów komunalnych w Londynie w latach

26 Wartość opałowa odpadów w różnych krajach