TERMICKÉ ZPRACOVÁNÍ ODPADŮ

Energie z biomasy VII. – odborný seminář
Brno 2007
TERMICKÉ ZPRACOVÁNÍ ODPADŮ
Lukáš Polák, Petr Buryan
Skrývka nadloží sokolovské a chebské hnědouhelné pánve představuje pro těžařskou společnost velké množství
odpadu. Zároveň však díky vysokému obsahu jílových minerálů představuje druhotnou surovinu a umožňuje
zpracování na tzv. lehčené expandované kamenivo. Termicky expandované granule nalézají díky svým
pozitivním vlastnostem široké uplatnění ve stavebnictví. K jejich přednostem patří nízká specifická hmotnost,
pevnost, tvarová i objemová stálost a výborné tepelné a zvukové izolační vlastnosti. Hlavní využití nalézají jako
plnivo do tzv. lehkých betonů, jimž předávají své pozitivní vlastnosti.
Klíčová slova: cyprisové jíly, expandace, prašná komory, elektrofiltr, aditivum.
ÚVOD
Jílovce cyprisového souvrství (název nesou podle Skořepatce Cypris Augusta, jehož fosílie byly v jílech
nalezeny) dosahují místy mocnosti až 180 m při rozloze 200 resp. 300 km2. Z mineralogické hlediska se jedná o
kaolinit – illitové jíly s písčitou příměsí a volně rozptýlenou organickou fází kerogenového povahy. Díky svému
unikátnímu složení a vyváženosti anorganické a organické fáze umožňují zpracování na lehčené expandované
kamenivo.
Jílová surovina je na zmíněný produkt zpracovávána v několika krocích. Nejdříve prochází systémem úpraven,
kde je drcena a mleta na co nejjemnější podíl. Při těchto procesech vzniká poměrně velké množství prachových
částic, které jsou zachyceny v prašné komoře, případně v elektrofiltru. Jemné podíly z prašné komory a
elektrofiltru zdaleka nedosahují takových expandačních vlastností jako jílová surovina, a proto musely být
doposavad ukládány na povrchovou skládku. Jemně namletá surovina je následně plastifikována s vodou tak,
aby z ní mohly být připraveny granule vhodné pro výpal. K výpalu dochází v rotační peci při teplotě nad 1100°C,
která je zajišťována plynovým hořákem umístěném v dolní části pece. Po výpalu jsou granule zchlazeny a
v sítové třídírně rozděleny na jednotlivé velikostní frakce. Největší frakce (nad 16 mm) je z důvodu malé pevnosti
drcena na produkt Liandrin – ten nachází uplatnění jako součást rostlinných substrátů, či je možno jej v zimním
období použít jako posypový materiál vozovek. Při třídění a drcení produktu dochází k uvolňování dalších
jemných podílů, které jsou zachytávány v centrální filtrační stanici a následně též skládkovány.
EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST
Hlavním cílem práce bylo ovlivnění procesu expandace pomocí vhodných aditiv tak, aby bylo možné zpracovat
odpadní podíly z elektrofiltru, prašné komory a centrální filtrační stanice při zachování výsledných vlastností
produktu. Jako aditiva byly v první řadě použity čisté chemikálie. Vycházelo se ze dvou základních předpokladů:
1. Během výpalu je proces expandace limitován množstvím vznikajících plynů uvnitř granule, a proto byly přidány
jako aditiva organické látky, u nichž se za vysokých teplot předpokládal vznik plynů (CO2 a H2O). 2. Během
výpalu vzniká dostatek expandačních plynů, nedochází však k potřebnému slinutí povrchu granule, tak aby plyny
byly zadrženy uvnitř a mohly působit na její nadýmání. Proto byly v druhé řadě pokusů přidávány látky, u které
měli podporovat slinutí povrchu granule během výpalu. Veškerá použitá aditiva uvádí tabulka 1.
Tab. 1 Použitá aditiva
Aditiva poskytující expandační plyny
C6H12O6 – Glukosa
C3H8O3 – Glycerol
Talové mýdlo*
Aditiva podporující slinutí povrchu granule
H3PO4 – kyselina fosforečná
KH2PO4 – dihydrogenfosforečnan draselný
Na2HPO4 – hydrogenfosforečnan sodný
Na3PO4 – fosforečnan sodný
Na2O.(SiO2)n – sodné vodní sklo
*odpadní produkt papírenského průmyslu a z výroby celulózy (soli vyšších mastných kyselin + lignin)
Ing. Lukáš Polák, VŠCHT Praha, Technická 5, 168 28 Praha 6, [email protected]
/ 165 /
Energie z biomasy VII. – odborný seminář
Brno 2007
Veškerá výše uvedená aditiva byla použita v laboratorních podmínkách v roztocích o koncentraci 5 %hm. a
přidána k jílové surovině ve stejném poměru jako voda v průmyslové praxi. Z takto vzniklé plastické hmoty byly
vytvořeny kuličky, které byly následně vypáleny v peci při teplotě 1100 °C. U vzniklého produktu byla sledována
jeho sypná objemová hmostnost, což je hmotnost nesetřeseného volně sypaného 1 m3 produktu. Ta se stanovuje
z hmotnosti několika granulí vážených na vzduchu a pod vodou a následně vypočítává pomocí matematického
algoritmu. V průmyslové výrobě se sypná objemová hmotnost pohybuje v rozmezí 200 – 400 kg.m-3. Kromě
sypné objemové hmotnosti je druhou sledovanou vlastností pevnost produktu. Ta se ovšem zjišťuje ve vrstvě,
nikoliv u jednotlivých granulí (ve vrstvě dochází k jinému rozložení síly a je mnohdy možno působit i
několikanásobně větší silou než na jednotlivé granule). Stanovuje se pomocí speciálních zařízení a její sledování
nebylo předmětem této studie.
VÝSLEDKY A DISKUZE
První pokusy zpracovávat samostatné odprašky a jejich nedostatečné expandační vlastnosti „dohánět“
přídavkem aditiv odhalily, že tato cesta není správná. Produkty již na první pohled nevykazoval nárůst objemu a
po jejich zvážení a následném výpočtu se u všech třech druhů odprašků (prašná komora, elektrofiltr a centrální
filtrační stanice) pohybovala sypná objemová hmotnost nad 1000 kg.m-3. Ani pokus o zvýšení koncentrace aditiva
nepřinesl lepší výsledek. Proto byly další studie zaměřeny na možnost přimíchávání odprašků k jílové surovině, a
to v takovém množství, aby byl negativní vliv jejich přidání kompenzován pozitivním působením aditiva. Za
účelem vybrání nejvhodnějšího aditiva z vytipovaných chemikálií, byly stejně jako u odprašků provedeny pokusy
se samotnou jílovou surovinou. Výsledky těchto pokusů zobrazuje graf na obrázku č. 1. Je z něj patrné, že se
potvrdila druhá teze, tedy, že proces expandace není limitován množstvím vznikajících plynů uvnitř granule,
nýbrž množstvím látek podporujících slinutí povrchu a tím zadržení expandačních plynů. Přídavek organických
látek dokonce působil proti procesu expandace a poskytoval produkty s vyšší sypnou objemovou hmotností než
produkt vyrobený bez aditivace. Z použitých aditiv byly jako nejvhodnější vyhodnoceny H3PO4 a KH2PO4 a proto
se další výzkum zaměřil právě na tyto aditiva. Společně s nimi byly v dalších krocích provedeny pokusy již
s přídavkem odprašků, a to v množství jednoho, tří a pěti hmotnostních procent vůči navážce jílové suroviny. Jak
je patrno z grafu na obrázku č. 2, se zvyšujícím se množstvím odprašků se zvyšovala sypná objemová hmotnost
produkt, avšak stále byla díky aditivům nižší než u klasicky připraveného produktu z jílu a vody (360 kg.m-3).
Sypná objemová hmotnost
Sypná objemová hmotnost [kg.m -3]
450
425
400
375
350
325
300
275
250
225
200
H3PO4
KH2PO4 Na2HPO4 Na3PO4
Vod.sklo
T.mýdlo
5%tní roztoky
JÍL
Jíl + H2O
Obr. 1 Sypná objemová hmotnost produktů při použití různých aditiv
/ 166 /
Glukosa
Glycerol
Energie z biomasy VII. – odborný seminář
Brno 2007
Sypná objemová hmotnost (přídavky + H3PO4)
Sypná objemová hmotnost [kg.m -3]
300
275
250
225
200
175
150
1%
EF
3%
Procentuální přídavky odprašků
PK
Joudal
5%
Bez přídavku (Jíl + H3PO4)
Obr. 2 Sypná objemová hmotnost produktů při aditivaci H3PO4 a přidání odprašků
Na základě těchto výsledků byla navázána spolupráce s firmou Fosta a.s. a z jejích odpadů a produktů
vytipovány tři možné látky, které svým složením (vysoký obsah fosforečnanů v sušině) poskytovaly naději, že by
mohly být použity jako aditiva. Z produktů byl vybrán tripolyfosfát sodný, technický, u nějž bylo firmou
garantováno množství P2O5 min. 57,1 %. Další dvě látky byly firmou produkován jako odpady. V první řadě to
byla látka dodaná pod označením vánofos – odkaliště. Jednalo se o odpadní produkt z výroby tzv. superfosfátu.
Dle analýzy firmy Fosfa a.s. obsahovala tato látka 41,5 % P2O5 v sušině. Druhou odpadní látkou byl
dekontaminační kal vznikající jako vedlejší produkt v procesu čištění kyseliny fosforečné termické – tato látka po
přepočtu na sušinu obsahovala 31,2 % P2O5. Souhrnný přehled látek z firmy Fosfa a.s. uvádí Tab. č. 2.
Tab. 2 Látky poskytnuté firmou Fosfa a.s.
Látka
Tripolyfosfát sodný, technický
Vápnofos – odkaliště
Dekontaminační kal
Specifikace
P2O5 [%]
51,7
41,5
31,2
další látky
těkavé látky < 1 %
Hg, Cr (oba prvky ~ 20 mg.kg-3)
F ~ 1 %, As < 300 mg.kg-3
Aditivace těchto látek proběhla opět pomocí vodných roztoků, a to v takové koncentraci, která svým obsahem
fosforu odpovídala aditivici pětiprocentního roztoku H3PO4. Pokusy s čistou jílovou surovinou odhalily, že použití
látky dekontaminační kal není vhodné, jelikož produkt vykazoval horší vlastnosti (vyšší sypná objemová
hmotnost) než produkt bez aditiva. Použití tripolyfosfátu sodného se též ukázalo jako komplikované, jelikož
během výpalu docházelo k praskání granulí, což bylo způsobeno výparem krystalicky vázané vody v polyfosfátu.
Tomuto nežádoucímu jevu se nepodařilo zamezit ani snížením množství aditiva, ani prodloužením sušící doby či
postupným ohřevem pece. Naopak jako velmi perspektivní se jeví látka vápnofos – odkaliště. Produkt připravený
s tímto aditivem nebylo problematické připravit a výsledná sypná objemová hmotnost 270 kg.m-3 dává možnost
zpracovat i určité množství odprašků. Byly opět testovány jedno, tří a pěti procentní přídavky všech druhů
odprašků a i přes určitý nárůst vykazovaly veškeré produkty nižší sypné objemové hmotnosti než klasický produkt
(sypná objemová hmotnost cca 360 kg.m-3) – viz Obr. 3.
/ 167 /
Energie z biomasy VII. – odborný seminář
Brno 2007
Sypná objemová hmotnost (přídavky + VPF)
Sypná objemová hmotnost [kg.m -3]
380
360
340
320
300
280
260
240
220
200
1%
3%
Procentuální přídavky
EF
Joudal
Klasický produkt (Jíl + H2O)
5%
PK
Bez přídavku (Jíl + VPF)
Obr. 3 Sypná objemová hmotnost produktů při aditivaci vápnofos – odkaliště a přidání odprašků
ZÁVĚR
Prostřednictvím laboratorní studie bylo prokázáno, že samostatné zpracování všech sledovaných odprašků je
velmi problematické. Vzorky z prašné komory a elektrofiltru sice obsahují značná množství jílových částic,
současně však analýzy objevily i velká množství vápence používaného k zaprášení granulí, který velmi negativně
působí na proces expandace. U odprašků byl analýzou stanoven až čtyřnásobný obsah vápníku než u vstupní
jílové suroviny a je vysoce pravděpodobné, že právě vápník je příčinou špatné expandace. Z těchto důvodu bylo
doporučeno hledat jiné látky vhodné k zaprašování místo zmíněného vápence. Vzorek z centrální filtrační stanice
dle rentgenové difrakční analýzy obsahuje termicky přeměněné jílové minerály, které prošly expandačním
procesem v rotační peci. Zpracování tohoto vzorku se proto ukázalo jako nejproblematičtější. Jeho recyklace
v současném výrobním cyklu není možná, protože nežádoucí měrou ovlivňuje expandaci výrobků.
Jako nejvýhodnější z testovaných aditiv podporujících expandaci se jeví použití kyseliny fosforečné a
dihydrogenfosforečnanu draselného. Tyto látky již za malého přídavku snižují bod tání zrna a podporují slinutí
povrchu, který se tak stává méně prostupným pro vznikající expandační plyny. V důsledku toho dochází
k zvýšenému nadýmání zrna a následně i vzniku produktu s nižší sypnou objemovou hmotností. Z odpadních
látek chemického průmyslu (vytipovaných na základě pokusů s čistými chemikáliemi) se jako velice perspektivní
jeví látka vápnofos-odkaliště (VPF) vznikající jako odpad při výrobě superfosfátu firmou Fosfa a.s. Již aditivace
3 % hm. této látky k surovině zaručuje možnost zpracování i pětiprocentních přídavků libovolných odprašků při
stejné či dokonce lepší sypné objemové hmotnosti produktu oproti produktu bez aditiva.
POUŽITÁ LITERATURA
[1] BURYAN, P. (2002): Chování cyprisových jílů při jejich termickém zpracování, Grant GAČR 105/02/0278.
[2] CHLUPÁČ, I. (2002): Geologická minulost České republiky, Academia, Praha
[3] SVOBODA, J. (1964): Regionální geologie ČSSR, díl I, svazek 2, Nakladatelství Československé akademie
věd, Praha
[4] KRÁSA,
P.
(2007):
Geologická
minulost
Karlovarska,
Sokolov,
dostupné
z:
http://www.sokolovak.com/geologicka_minulost_karlovarska.pdf, 8.3.2007
[5] Firemní materiály společnosti Lias Vintířov, LSM, k.s.
/ 168 /