dr hab. inż. Grzegorz Wielgosiński Politechnika Łódzka

1. dr hab. inż. Grzegorz WielgosińskiPolitechnika 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 lubelektrycznej. 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). Zewzględu 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, gdybrak jest wstępnego wymieszania paliwa z utleniaczem. Spalanie dyfuzyjne daje się stosunkowo łatwo przerwać, usuwającpaliwo 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 częśćpaliwa 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 stanieciekłym, - Azot w produktach występuje w postaci cząstecz- kowej(jako N2), - Zawarta w paliwie siarka występuje po spalaniu wpostaci 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. 2250 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

20. 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)

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. Skład morfologiczny odpadów komunalnych w zależności od stopnia rozwoju gospodarczego

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 1925 - 1985

26. Wartość opałowa odpadów w różnych krajach