Termický rozklad materiálů

Principy termického rozkladu

Termický rozklad surovin a odpadů patří spolu se spalováním a zplyňováním mezi procesy termochemické konverze. Tyto procesy se navzájem výrazně odlišují v obsahu kyslíku v reakčním prostoru technologie pro termický rozklad materiálů. Na rozdíl od zplyňování a spalování je proces termického rozkladu založen na rozkladu organických látek působením tepla bez přístupu oxidačních médií. V technické praxi bývá dělen do následujících tří kategorií podle používaných teplot, a to na procesy:

  • nízkoteplotní (< 500°C)
  • středněteplotní (500 - 800°C)
  • vysokoteplotní (>800°C)

Při tepelném rozkladu klesá stabilita vysokomolekulárních látek, což vede k jejich štěpení a uvolňování látek nízkomolekulárních. V podstatě při tepelném rozkladu dochází k uvolnění prchavé hořlaviny z tuhého odpadního materiálu, kterým můžou být pneumatiky, plasty, brusné kaly, biomasa, uhlí, kaly z čistíren odpadních vod a další.

Termickým rozkladem vstupních materiálů v procesu vznikají z pravidla tři hlavní produkty:

  • karbonizační pevný zbytek
  • kapalný kondenzát (procesní olej)
  • procesní plyn

Tyto výstupy z technologie TR lze využít jako vstupní surovinu k dalšímu zpracování, ale především k výrobě tepelné a elektrické energie.

Technologický popis jednotky pro termický rozklad

Vstupní surovina s mechanicky upravenou granulací (drcení) je navážena na požadovanou hmotnost a následně dopravována dopravníkem do hermeticky uzavřeného zásobníku, který je proplachován inertním plynem, aby se zamezilo přístupu okysličovacích medií do procesu termického rozkladu. Princip zásobení technologie termického rozkladu materiálů může být, jak popsáno výše, vsázkový, nebo kontinuální.

Materiál je postupně dávkován do tzv. retorty, kde dochází k ohřevu materiálu na požadovanou teplotu. ENRESS s.r.o. v rámci svých nabízených služeb pro naše zákazníky provádí na své laboratorní technologii elektrotermického rozkladu technologické zkoušky a stanovuje ideální provozní teplotu a čas expozice materiálu v retortě s důrazem na maximální účinnost a ekonomiku vlastního provozu v souladu se zadávacími podmínkami zákazníka.

Retorta je v některých typech technologie pro termický rozklad ohřívána pomocí několika sekcí plynových nebo olejových hořáků, které umožní dosažení maximální provozní teploty až 800°C.

Jiná konstrukční uspořádání technologie pro termický rozklad využívají ohřev elektrický přímotopný, nebo indukční a je známo i řešení pomocí mikrovlnného ohřevu využívající jako zdroj magnetron. Výhodou elektrického a mikrovlnného ohřevu oproti vyhřívání plynem či olejem je zejména skutečnost, že pak taková technologie pro termický rozklad neprodukuje žádné emise.

Vložený materiál je rozkládán na pevný uhlíkový zbytek, který je jímán do popelového boxu na konci jednotky a plynou frakci, která je odváděna potrubím z retorty do cyklonu. Cyklon je zařízení, kde dochází ke zpomalení proudu plynu a pomocí gravitace jsou odloučeny tuhé znečišťující látky. Tento vyčištěný plyn je dále odváděn do primárního chladícího stupně s výměníkem (plyn - vzduch). Sekundární dochlazování tvoří výměník plynu a vody, kde je plyn podchlazován tak, aby vznikl kondenzát, který je shromažďován v nádrži na kapalnou frakci. Tato nádrž je vybavena míchadlem, aby se zamezilo sedimentaci těžkých uhlovodíků.

Vlastní technologie pro termický rozklad je bezpečně řízena z velínu pomocí instalovaných programů procesoru. Výstupy z odběrové sondy jsou vedeny ke kontinuálním analýzám, kde jsou obvykle sledovány významné parametry plynu jako je obsah H2, CO, CO2, CH4 a TOC , dále pak teplotní režim a další.

PŘÍKLAD TECHNOLOGICKÉHO PROCESU MATERIÁLOVÉ RECYKLACE PNEUMATIK

Důvodů, proč za základní vstupní materiál zákazník zvolil právě tento druh odpadu, se nabízelo hned několik:

  • Množství odpadních pneumatik s nízkou životností každoročně stoupá.
  • Pneumatiky jsou biologicky nerozložitelné, netavitelné, nerozpustné.
  • Hromadění tohoto druhu odpadu způsobuje značný enviromentální problém.
  • Největší množství pneumatik je uloženo na skládky, pouze část z celkového množství je recyklována různými technikami (např. jako palivo v cementářských pecích, jako aditiva do asfaltů používaných na vozovky, ve spalovnách nebo spolu-spalováním s uhlím, jako surovina v gumárenském průmyslu, jako surovina pro povrchy vozovek apod.).
  • Různé typy pneumatik mají podobné chemické složení.
  • Pro zkoušky termického rozkladu jde o snadno dostupný materiál.

Základní charakteristiky a rozbory odpadních pneumatik

Různé pneumatiky mají podobné chemické složení. Skládají se z gumy a textilních a ocelových výztuží. Guma se obecně skládá z eleastomerů syntetických (poly-butadien, styren-butadien, polyizopren) (27%) a přírodních (14%). Dále obsahují síru a složky obsahující síru, saze, oxid zinku, uhlovodíkové oleje a další chemické sloučeniny jako jsou stabilizátory, antioxidanty atd.

Pneumatiky obsahují cca 30 % sazí jako zpevňovací plnidlo. Rozkladem odpadních pneumatik proto vznikají i saze obsahující anorganické sloučeniny.

Před zahájením samostatných zkoušek na technologii termického rozkladu byly vzorky pneumatik podrobeny elementárním analýzám, které byly zaměřeny na stanovení obvyklých prvků jako je uhlík, vodík, kyslík, síra, dusík. Z laboratorně připraveného popele z pneumatik byly na základě práškové RTG difrakční analýzy doplněny údaje o obsahu dalších prvků a sloučenin. Vzorek pro analýzu nebyl speciálně upravován, byl pouze homogenizován v třecí misce a nanesen na skleněný nosič. Měření bylo prováděno na plně automatizovaném difraktometru.

Vyhodnocení materiálových bilancí výstupních produktů

Předmětem zkoušek bylo ověřit si změnu hmotnostních bilancí u odpadních pneumatik za různých teplot, přičemž ostatní podmínky zůstaly zachovány. Před každým pokusem byla retorta předehřátá na požadovanou teplotu. Rozklad probíhal vždy za konstantní teploty.

Základní kritéria a podmínky zkoušek odpadních pneumatik

  • granulometrie (velikost zrna materiálu) do 30 mm
  • vlhkost materiálu do 20 %
  • navážka vstupního materiálu 20 kg
  • doba zdržení materiálu v retortě 40 min
  • rychlost dávkovacího šneku 600 l/min
  • sypná hustota pneumatik 500 kg/m3
  • udržování nízkého podtlaku v desítkách Pascalů

Produkty TR:

  • pevná fáze - uhlík
  • kapalná fáze - olej
  • plynná fáze - plyn

PALIVOVÉ ZKOUŠKY

ENRESS s.r.o. provádí palivové zkoušky (termický rozklad surovin a odpadů a elementární analýzu jeho výstupních frakcí) a to dle objednávky buď na vlastním speciálním laboratorním zařízení elektrotermického rozkladu materiálů (vsázka 5 litrů,) nebo na vsázkovém zařízení provozním (vsázka minimálně 50 litrů).

Značné praktické zkušenosti jsou k dispozici zejména s termickým rozkladem a analýzou těchto surovin a odpadů:

  • Komunální odpad (předtříděný)
  • Odpadní plasty (kromě chlorovaných – PVC, Novodur apod.)
  • Nemocniční odpad (hygienizovaný)
  • Pelety z biomasy (dřevo, miscantus, sláma, odrol z peletování)
  • Substrát a digestát z bioplynových stanic
  • Tetrapak a další podobné obaly
  • Kaly z ČOV
  • Kaly z odkališť

Při provádění testů a zkoušek naši zákazníci obvykle požadují následující výsledky a parametry výstupních frakcí (pevná frakce, procesní olej, procesní plyn) tepelného rozkladu:

  • množství procesního plynu, množství oleje, množství pevné frakce
  • složení plynu, oleje
  • odhad optimálního provozního režimu při zadání zákazníka na preferovaný výstup (teplota rozkladu, doba zdržení v retortě, granulace a vlhkost vstupní vsázky)

Složení, parametry a vzájemný poměr jednotlivých frakcí vystupujících z technologie termického rozkladu surovin a odpadů ovlivňují mj. následující ekonomické, technické, logistické a legislativní ukazatele s rozhodujícím vlivem na životnost jednotlivých komponent technologie a na návratnost vložených investic, tj.:

  • tržby za prodej frakcí a energie
  • hmotnost vstupní suroviny
  • dopravní a logistické náklady
  • osobní náklady
  • emise a imise
  • investice na přípravu vstupní suroviny
  • investice na zpracování frakcí
  • investice do výrobních, skladových a pomocných prostor

Všechny tyto údaje musí být pro našeho zákazníka známé, aby před vlastním zahájením zamýšlené investiční akce bylo možné zpracovat kvalitní Studii proveditelnosti, jako základní podklad pro jeho podnikatelský záměr.

Na těchto objektivním a důkladných základech je pak možné zahájit potřebná legislativní jednání, marketing jak v oblasti vstupních surovin, tak i výstupních produktů a bez rizika zahájit projekční práce.

Prvým, malým krokem, který má ale zásadní význam pro rozhodování našeho zákazníka, jsou palivové zkoušky. Zkoušky by před zahájením projekčních prací měly probíhat v následujících etapách:

1. Laboratorní zkoušky

  • výběr vstupní suroviny
    • změření jejích parametrů (složení, granulace, sypná a měrná hmotnost, vlhkost, stupeň znečistění nezplynovatelnými příměsemi, spotřeba suroviny v technologii termického rozkladu v závislosti na čase apod.)
  • složení a poměr množství jednotlivých výstupních frakcí
    • tzv. funkce pracovního režimu, zejména granulace, vlhkost, teploty a doby zdržení v retortě

Cílem orientačních palivových zkoušek je nalezení optimálních hodnot provozního režimu vedoucích na maximální množství dominantní požadované frakce, minimální a maximální množství vodíku v plynné frakci, maximální výhřevnost frakce, případně optimální složení kapalné frakce pro potřeby dalšího využití, např. motor kogenerační jednotky, minimální a maximální dobu zdržení v retortě, a minimální a maximální zpracovatelné množství vstupní suroviny.

Po provedeném laboratorním tepelném rozkladu a analýze obdrží zákazník Oznámení o výsledku zkoušek obsahující uvedené parametry dle objednávky včetně doporučení dalšího postupu. Příklad výsledků elementární analýzy výstupních frakcí uvádíme v následujících tabulkách.

2. Optimalizační zkoušky na provozním dávkovém zařízení

Na základě dosažených výsledků si může zákazník zpracovat technicko-ekonomickou analýzu pro jednotlivé varianty vstupních surovin a režimů a odhad parametrů optimálního režimu technologie termického rozkladu materiálů zejména z hledisek ekonomických ukazatelů.

Optimalizační zkoušky, pokud je zákazník požaduje, povedou k ověření parametrů optimálního režimu získaných při laboratorních zkouškách a umožní zpracování přesnějšího odhadu technických a ekonomických ukazatelů provozu projektované technologie termického rozkladu materiálů.

3. Orientačních palivové zkoušky

Provozní testování a provádění orientačních palivových zkoušek probíhá po náběhu technologie termického rozkladu materiálů do zvoleného provozního režimu. V průběhu náběhu i po celou dobu zkoušky bude ve zvolených intervalech (např. po 2 hod.) měřena teplota uvnitř haly s technologií i mimo halu, spotřeba energií (EE, ZP, nebo PB), spotřeba vstupní suroviny (vsázka), doby provozu fléry a vhodným způsobem ve zvolených intervalech i emise a hluk v hale i venku. Pro každý experiment budou změřené hodnoty vhodným způsobem registrovány pro potřeby pozdějších analýz a legislativního řízení před vlastní realizací projektované technologie termického rozkladu surovin.

Změnou množství vsázky, doby zdržení a teploty (a jejího průběhu v retortě) budou upřesněny vhodné hodnoty režimu, tj. takové, při kterých bude maximum produkce žádané dominantní frakce a dále naopak minimum všech frakcí při zachování normální funkce technologie termického rozkladu materiálů (potřebné jsou vždy alespoň tři body pro sestrojení křivky).

Při každém extrému budou odebrány a označeny vzorky všech frakcí v množství dostatečném pro analýzu složení a pro archivaci umožňující i případné opakování analýzy, a to včetně všech naměřených hodnot. Odebrané vzorky musí být v takovém množství, aby umožnily i případné dodávky (v litrech či v kilogramech) zákazníkovi na odběr dané frakce pro jeho případné paralelní ověřovací zkoušky.

ENRESS s.r.o., v souladu s požadavky zákazníka na základě provedených palivových zkoušek a testů, na základě úzké spolupráce při návrhu, schvalování a tvorbě projektu zajistí výrobu vhodného typu technologie termického rozkladu surovin nejvyšší kvality, odbornou instalaci, zaškolení obsluhy zákazníka, asistovaný zkušební provoz, dálkový dohled na provozem technologie, údržbu a prevenci pro celou dobu provozování této technologie.

Technologii termického rozkladu surovin může ENRESS s.r.o. dodat i v mobilní kontejnerové variantě s možností pořízení vhodných nadstavbových kompatibilních periferií, např. příprava materiálů (drcení) zásobníků oleje s evidencí, soupravy kogenerační jednotky a generátoru apod.