REZULTATI SAGOREVANJA RAZLIČITIH OTPADNIH GORIVA U FLUIDIZOVANOM SLOJU RESULTS OF COMBUSTION OF DIFFERENT WASTE FUEL IN FLUIDIZED BAD

Keywords: low-calorific materials, waste, fluidized bed

IZVOD -Održivi razvoj domaće energetike podrazumeva racionalno korišćenje energetskih resursa, upotrebu obnovljivih izvora energije i upravljanje otpadom uz zadovoljenje ekoloških propisa. Način za istovremeno ispunjavanje navedenih ciljeva je energetsko iskorišćenje niskovrednih, otpadnih materija, primenom tehnologije sagorevanja u fluidizovanom sloju (FS). U radu su prikazani rezultati eksperimenata sagorevanja više vrsta čvrstih i tečnih otpadnih materija, obavljeni na dvema instalacijama: industrijsko-demonstracionom (snage do 500 kW) i eksperimentalnom FS kotlu (snage do 100 kW). Mereno je temperatursko polje po visini ložišta, analiziran sastav dimnih gasova na izlazu iz ložišta i ostali parametri sagorevanja predmetnih goriva. Analizom dobijenih rezultata data je ocena njihove podobnosti sagorevanja u FS uz mogućnost iskorišćenja njihovog energetskog potencijala. 

UVOD

Rad je prilog istraživanju sagorevanja čvrstih i tečnih otpadnih materija čije odlaganje predstavlja sve veći ekološki problem. Toplotna moć nekih od ovih materija je na nivou toplotne moći domaćih ugljeva, pa se njihovim sagorevanjem postižu dodatni energetski pa samim tim i ekonomski efekti, te se mogu smatrati gorivom. Zbog neujednačenog sastava i gustine, velike viskoznosti, kao i visokog udela balasta tečna otpadna goriva se teško ili se ne mogu sagorevati u konvencionalnim ložištima, pa je tehnologija pogodna za njihovu termičku dezintegraciju fluidizovani sloj (FS) koji omogućava sagorevanje različitih goriva nehomogenog sastava. FS tehnologijom se mogu sagorevati odnosno spaljivati i otpadne niskokalorične materije (kao npr. zaprljane vode sa malim koncentracijama otrovnih materija, crvena voda iz proizvodnje TNT-a...) uz podršku nekog drugog goriva. Kako se u kotlovima sa FS mogu sagorevati čvrsta goriva sa sadržajem balasta i do 85%, sa efikasnim odsumporavanjem dodavanjem krečnjaka direktno u sloj uz nisku emisiju azotnih oksida -NO x (niska temperatura sagorevanja od oko 850 o C), FS ima značajnu prednost u poređenju sa drugim tehnologijama sagorevanja. 
Od širokog spektra ispitivanih goriva u radu su predstavljeni rezultati sagorevanja onih najreprezentativnijih i to od tečnih otpadnih goriva: taloga iz rezervoara sirove nafte, iskorišćenih jestivih ulja, masti i ulja iz valjaonica i glicerina (nus-produkta proizvodnje biodizela). Od čvrstih otpadnih goriva rad tretira: vanbilansne rezerve uglja (sitne granulacije, sa visokim sadržajem mineralnih materija i niskom toplotnom moći), zrnastu biomasu -kukuruz zaražen aflatoksinom, i papirni mulj (otpad iz proizvodnje papira). 

Zašto su navedene materije interesantne za ovaj rad?

Navedene otpadne materije su pre svega značajne zbog potencijala za njihovo generisanje u Srbiji i zato što se eliminacija ovih materija ne izvodi potpuno u skladu sa važećim ekološkim normama (karakterističan primer je problem nastao usled neadekvatnog rešavanja problema sa tečnim otpadom iz fabrike Zvezda-Helios iz Gornjeg Milanovca). 
Potencijalni kapacitet otpadnih maziva i ulja, naftnog taloga, iskorišćenih maziva i sl.se izražava sledećim podacima [1]: 2008), EU je do 2020. godine propisala povećanja udela biogoriva na čak 20% u gorivima za saobraćaj, čime se želi, uz primarno očuvanje sredine, osigurati i stabilnost investicija u taj sektor. Glavni nusproizvod proizvodnje biodizela je glicerin (od polazne sirovine za dobijanje biodizela, recimo iskorišćenih jestivih ulja, 10% masenih otpada na glicerin). Veća potražnja za biodizelom može dovesti do prezasićenosti tržišta glicerinom pa se i on može tretirati kao otpad i koristiti kao gorivo. Na teritoriji Srbije postoji nekoliko fabrika za proizvodnju i preradu hartije: Fabrika kartona Umka, Avala ada, Fabrika hartije Beograd. Jedan od nusproizvoda prerade hartije u ovim fabrikama je papirni mulj velike vlažnosti i neujednačenog sastava, koji se ne može dalje prerađivati, ali se zato može sagorevati u FS uz podršku nekog kaloričnijeg goriva. 
U radu su dati i eksperimenti sagorevanja zrnaste biomase-kukuruza. Iako je zrnasta biomasa pre svega hrana u ljudskoj i životinjskoj ishrani, ona se može tretirati kao izvanredno gorivo i to upotrebom otpadnog -zaraženog zrna aflatosinima ili fusarijumom, otpadna semenska biomasa, otpad iz mlinova i fabrika kornfleksa i dr. Ovo je od posebnog značaja kada se ima u vidu nedavni problem vezan za kontaminaciju kukuruza aflatoksinima, kada je svega 32 % roda bilo bezbedno za upotrebu. 
Karakteristike domaćih lignitskih i mrko lignitskih basena ukazuju da su oscilacije karakteristika uglja, iskopanog sadašnjom mehanizacijom, neminovnost. Eksploatacione i rudarsko-geološke karakteristike basena kao i potreba za iskorišćenjem vanbilansnih rezervi uglja (ugljevi sitne granulacije, sa visokim sadržajem balasta i sumpora, niske toplotne moći) ukazuju na neminovnost primene tehnologije manje osetljiva na navedene promene -kotlova sa FS. Već sada doneti propisi o dozvoljenoj emisiji kotlova termoelektrana nameću neophodnost smanjenja emisije ispod vrednosti karakterističnih za klasične kotlove bez postrojenja za odsumporavanje i preduzetih mera za smanjenje emisije NO x -a. 
Laboratorija za termotehniku i energetiku Instituta "Vinča" se dugi niz godina bavi proučavanjem fenomena sagorevanja u FS i razvojem FS ložišta. U sklopu tih istraživanja razvijena je metodologija ispitivanja podobnosti sagorevanja goriva u FS na eksperimentalnoj/poluindustrijskoj aparaturi u stacionarnim režimima rada. Ekperimenti sagorevanja otpadnih goriva su, u ovom slučaju, izvedeni na dvema FS instalacijama i to: eksperimenti sagorevanja tečnih otpadnih goriva i sitnih granulacija uglja na eksperimentalnom ložištu snage 100 kW (Sl. 1), sa doziranjem goriva u sloj, i eksperimenti sagorevanja zrnaste biomase i papirnog mulja na demonstracionoeksperimentalnom toplovodnom kotlu (500 kW) sa doziranjem na sloj (Sl. Proces sagorevanja se u eksperimentima na FS instalaciji 1 obavljao u približno adijabatskim uslovima (bez razmene toplote u sloju), dok je na demonstracionom industrijskom kotlu (FS instalacija 2) postojala razmena toplote između sloja i zidova ložišta. Ložište instalacije 2 ima vodom hlađeni cilindrični plašt obložen vatrostalnom opekom u zoni FS pa je otežan prenos toplote sa sloja na plašt ložišta (koji ima ulogu hladnjaka dimnih gasova) pa je i u tom postrojenju 2 sagorevanje u FS bilo blisko adijabatskom. Stoga izmereni viškovi vazduha λ u svim eksperimentalnim režimima približno odgovaraju viškovima vazduha pri teorijskim temperaturama sagorevanja goriva. Na Slici 3, dat je uporedni prikaz promena izmerenih temperatura po relativnoj visini ložišta (visina položaja termoparova u ložištu podeljena sa visinom ekspandiranog sloja) prilikom sagorevanja ispitivanih otpadnih goriva. Sa slike 3 se vidi da prilikom sagorevanja zrnaste biomase i papirnog mulja doziranih na sloj, i uglja pneumatski doziranog u sloj, imamo efikasno uvlačenje plamena u sloj, što nije slučaj pri sagorevanju visoko volatilnih tečnih goriva gde je izražen proces dogorevanja u zoni iznad FS. Naime, tečna visoko volatilna goriva, naglo isparavaju pri ulasku u zagrejan FS i brzo prolaze kroz sloj bez adekvatnog mešanja sa vazduhom s posledicom premeštanja zone sagorevanja na zonu iznad slobodne površine FS, što je konstantovano i u radovima [6][7][8][9]. Stoga se za sagorevanje tečnih volatilnih goriva preporučuje veća visina FS, doziranje "u sloj" i manji stepen fluidizacije N. Pri tome se parametri sagorevanja poboljšavaju pri dubljem uranjanju mlaznice u sloj. Zbog velike viskoznosti i lakog stinjavanja naftnog mulja i istrošenih ulja iz valjaonice, neophodno je njihovo mešanje sa vodom i grejanje linije za doziranje. To ne samo da olakšava doziranje, već i dovodi do pomeranja zone intenzivnog sagorevanja prema sredini sloja, uz smanjenje emisije CO, što je ispitivano pri sagorevanju suncokretovog ulja i ulja i masti iz valjaonica u režimima II (Tabela 2). 
Veliki sadržaj ukupnog balasta u naftnom i u papirnom mulju, zahteva podršku sagorevanja propanbutanom ili nekim drugim visoko kaloričnim gorivom. 
Pri sagorevanju niskokvalitetnih frakcija uglja Lubnice ostvaruje se manja razlika temperatura u i iznad sloja, ali i veća emisija SO 2 i NO x , od 2200mg/m 3 i 763 mg/m 3 1 , respektivno, nego pri sagorevanju ispitivanih tečnih goriva, što se rešava odsumporavanjemdodavanjem krečnjaka u sloj, odnosno amonijaka (redukcija NO x ). Kako su se eksperimenti sagorevanja odvijali na temperaturama od 810-900 o C, koje su nepovoljne sa stanovišta formiranja termičkog i promptnog NO x , nešto viša emisija azotnih oksida nije posledica organizacije sagorevanja već je poslaedica visokog sadržaja azota u sastavu ispitivanog uglja, što je slučaj i sa sumporom (Tabela 1) i emisijom SO 2 (Tabela 2). 
Kosagorevanjem papirnog mulja i gasa emisija SO 2 i NO x ne prelazi zakonske norme. 
Koncentracija NO x od 634 mg/m 3 pri sagorevanju zrnaste biomase 2 nije posledica organizacije sagorevanja već satava ispitivane žitarice (kukuruza) koju karakteriše visok sastav N i O. 
Vizuelno ispitivanje je potvrdilo postojanje intenzivnog mešanja u sloju i dobru ispunjenost plamena po zapremini ložišta u toku svih eksperimenata, što ukazuje na optimalnu kinetiku procesa termičke razgradnje ispitivanih goriva. 1 Granična vrednost emisije za mala postrojenja za sagorevanje na čvrsta goriva na ugalj, brikete od uglja i koks, odnosi se na zapreminski udeo kiseonika u otpadnom gasu od 7% 2 Granična vrednost emisije za mala postrojenja za sagorevanje na čvrsta goriva, a koja nisu ugalj, briketi od uglja i koks, odnosi se na zapreminski udeo kiseonika u otpadnom gasu od 13%. 

ZAKLJUČAK

Težište zaključaka ispitivanja podobnosti sagorevanja ispitivanih otpadnih materija i niskokaloričnih goriva u FS odnose se na kvalitet sagorevanja što podrazumeva potpunost sagorevanja i zadovoljenje ekoloških kriterijuma. Izloženi rezultati pokazuju da se goriva različita po sastavu i stanju mogu uspešno sagorevati u FS kotlovima uz pravilno definisane uslove sagorevanja. Izmerene koncentracije CO u dimnim gasovima su u svim slučajevima znatno niže od zakonom dozvoljenih granica, pa su i gubici usled nedogorelog u gasovitim produktima sagorevanja zanemarljivi. Komentar kvaliteta sagorevanja sa stanovišta zadovoljenja ekoloških propisa u pogledu emisije SO 2 i NO x su povoljni sem u slučaju sagorevanja sitnih frakcija uglja i kontaminiranog kukuruza, što je posledica hemijskog sastava navedenih materija, a ne posledica organizacije sagorevanja. Potrebno je istaći da u Uredbi o graničnim vrednostima emisije zagađujućih materija u vazduhu nije definisana granična vrednost emisije NO x pri sagorevanju biomase koja nije drvne prirode, što se može smatrati propustom, pogotovu kada se u vidu da od raspoložive količine biomase u Srbiji 60% se odnosi na biomasu iz poljoprivredne proizvodnje, a da upravo ratarsku biomasu karakteriše izuzetno visok sadržaj N usled intezivnog đubrenja ratarskih kultura. Uz to zrnastu biomasu-žitarice, specijalno, karakteriše visok sadržaj proteina, zbog čega su žitarice veoma važne u ljudkoj i životinjskoj ishrani. Međutim, visok sadržaj proteina i drugih amino-kiselina implicira i visok sadržaj N u sastavu zrnaste biomasegoriva, pa samim tim i veću emisiju azotnih oksida (koji potiču od sastava goriva) pri njihovom sagorevanju. Sve ovo je potrebno imati u vidu pri sagorevanju i kontrolisanju emisije primarnim i sekundarnim merama. 
Država je usvojila nacionalnu strategiju [13] za upravljanje otpadom, koja će u potpunosti uvesti evropske standarde u oblasti recikliranja/iskorišćenja otpada do 2019. Imajući u vidu sve veću potebu i neophodnost rešavanja problema otpada iz domaće industrije i neminovnost iskorišćenja ostataka iz ratarske odnosno poljoprivredne proizvodnje u Srbiji, moguće je graditi savremene, efikasne i ekološki prihvatljive kotlove sa sagorevanjem u fluidizovanom sloju za proizvodnju energije (toplotne i električne) u industriji i u sistemima daljinskog grejanja, sagorevajući ova goriva koja se u kotlovima drugih tipova ne mogu sagorevati, ili se ne može ostvariti potrebna efikasnost sagorevanja i zadovoljiti obavezne ekološke norme. 

1 .

 1 2). Više o eksperimentalnoj aparaturi sa sl. 1 i demonstracionom toplovodnom kotlu sa sl. 2 moguće je naći u radovima [9÷12]. Legenda: 1. Duvaljka primarnog vazduha 2. (2.1 -2.2) Merni otvori 3. Električni grejač 4. Komora sa distributorom vazduha 5. Ložište sa fluidizovanim slojem (1. promaja) 6. Komora za izdvajanje čestica (2. promaja) 7. Sistem za doziranje goriva a) tečnog -7.1 dozir pumpa, 7.2 duvaljka za noseći vazduh, 7.3 grejač nosećeg vazduha; b) čvrstog -pužni dozator i duvaljka za vazduh 8. Hladnjak dimnog gasa 9. Ciklonski seprator čestica 10. (10.1 -10.3) Posude za odlaganje čestica 11. Ventilator dimnog gasa 12. (12.a) Boca propan-butana 13. Gorionik za potpalu 14. Ventil za izdvajanje materijala sloja 15. Posuda za sakupljanje materijala sloja 16. Duvaljka za hlađenje vazduha mlaznice 17. Mlaznica Slika 1. Šema eksperimentalne instalacije 1 sa sistemom za doziranje goriva [4÷6]Legenda Sabirnik sa vodenim hlađenjem za odvođenje pepela i inertnog materjala sloja 2. Sabirna komora distributora vazduha za fluidizaciju 3. Pečurke distributora vazduha 4. Cevi prve promaje dimnih gasova 5. Cevi druge promaje dimnih gasova (uronjene u vodeni omotač) 6. Kosi uvodnici za pneumatsko doziranje u sloj 7. Kosi uvodnik za doziranje na sloj 8. Keramičke cevi u kojima su smešteni termoparovi za akviziciju temperature u i iznad sloja 9. Horizontalni uvodnik za doziranje čvrstog goriva u sloj 10. Prelivna cev za odvođenje pepela iz sloja 11. Sabirni dimni kanal 12. Izlaz vode iz kotla Slika 2. Crtež kotla sa fluidizovanim slojem/instalacija 2 sa pozicijama[7,8] Tabela 1), radi izračunavanja adijabatske temperature sagorevanja koja predstavlja po-polazni parametar za podešavanje rada aparature (definisanje protoka goriva i vazduha radi uspostavljanja stacionarnog stanja na željenoj temperaturi sagorevanja). 


FS instalacija 2 Slika 3 .

 23 sa vodom papirni mulj sa gasom ulja i masti iz valjaonice ulja i masti iz valjaon.sa gasom naftni mulj sa gasom sitni ugalj Promena temperatura po relativnoj visini ložišta
REZULTATI SAGOREVANJA RAZLIČITIH OTPADNIH GORIVA U FLUIDIZOVANOM SLOJU RESULTS OF COMBUSTION OF DIFFERENT WASTE FUEL IN FLUIDIZED BAD