Streszczenie Abstract 1. Termiczna utylizacja substancji

Archives of Waste Management
Archiwum Gospodarki Odpadami
and Environmental Protection
http://ago.helion.pl
ISSN 1733-4381, Vol. 2 (2005), p-09-16
Badania termicznej utylizacji odwodnionych osadów ściekowych w procesie
koksowania węgla
Wasielewski R., Sobolewski A., Kosewska M., Wróbelska K.
ul. Zamkowa 1, 41-803 Zabrze
tel.(32) 271-00-41, fax (32) 271-08-09
e-mail: [email protected]
Streszczenie
Przeprowadzono badania procesu koksowania mieszanek węglowych z dodatkiem
odwodnionego komunalnego osadu ściekowego oraz pyłu koksowego pochodzącego z
instalacji suchego chłodzenia koksu. Przeanalizowano wpływ wielkości tych dodatków na
wskaźniki jakościowe koksu CRI (reakcyjność wobec ditlenku węgla) i CSR
(wytrzymałość poreakcyjna). Proces ten niekorzystnie wpływa na jakość koksu ze względu
na dużą zawartość substancji mineralnej w osadach ściekowych. Stwierdzono, że
akceptowalna ze względów technologicznych wielkość dodatku odwodnionych osadów
ściekowych wynosi do 4%, po preparacji z pyłem koksowym.
Abstract
Investigation of the dewatered sludge thermal utilization in cokemaking process
Investigations of coking process of coal mixtures with addition of both the dewatered
sewage sludge and coke dust from dry cooling process were carried out. The influence of
quantity of these additives on coke quality indices, the CRI (Coke Reactivity Index) and
CSR (Coke Strength after Reaction), was analysed. This process decreases the quality of
coke, because sewage sludge consist great amount of mineral matter. From the
technological point of view an acceptable amount of the dewatered sewage sludge addition
is up to 4% after preparation with the coke dust.
1. Termiczna utylizacja substancji odpadowych w procesie koksowania węgla
Warunki technologiczne procesu koksowania, zwłaszcza wysoka temperatura i długi czas
cyklu, sprawiają, że komory koksownicze od wielu lat wykorzystywane są do utylizacji
różnych substancji odpadowych ulegających termicznej degradacji. Substancje te
wprowadzane są do wsadu węglowego w określonym procentowym udziale, najczęściej na
jednym z etapów przygotowania mieszanki węglowej do koksowania. Liczne przykłady
zastosowania komory koksowniczej do termicznego rozkładu substancji odpadowych
przytacza literatura [1, 2].
10
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 2(2005)
Istotą procesu koksowania jest ogrzewanie węgla bez dostępu powietrza do temperatury
około 1000°C. W skali przemysłowej proces ten realizuje się w pionowych komorach,
których dwie boczne ściany ogrzane są do temperatury powyżej 1100°C. Zestaw
przemiennie usytuowanych komór koksowniczych i ścian grzewczych, tworzy baterię
koksowniczą. Do wprowadzania węgla wsadowego do komór koksowniczych stosowane są
dwa systemy: ubijany i zasypowy. W systemie wsadu ubijanego przygotowana mieszanka
węglowa wprowadzana jest do komory w postaci ubitego naboju, natomiast w systemie
zasypowym węgiel wsypuje się do komory poprzez otwory w jej sklepieniu. Podczas
koksowania węgla następują nieodwracalne fizykochemiczne przemiany substancji
węglowej, w efekcie których powstają: podstawowy, stały produkt koksowania - koks oraz
produkty ciekłe i gazowe, opuszczające komorę koksowniczą w postaci par i gazów.
Niewątpliwymi atutami prowadzenia utylizacji odpadów w procesie koksowania, są także
istniejące w zakładach koksowniczych rozbudowane, wielostopniowe instalacje
oczyszczania gazu i wydzielania ciekłych produktów koksowania, co eliminuje lub
ogranicza nakłady inwestycyjne.
2. Możliwości utylizacji odwodnionych osadów ściekowych w bateriach
koksowniczych
Problem utylizacji odwodnionych osadów ściekowych w bateriach koksowniczych dotyczy
dwóch zagadnień: odpadów własnych i obcych. Zagospodarowanie pozostałości
z oczyszczania ścieków koksowniczych w charakterze dodatku do wsadu węglowego jest
praktyką znaną i stosowaną w branży koksowniczej. Generalnie proces ten niekorzystnie
wpływa na jakość koksu, głównie ze względu na dużą zawartość substancji mineralnej
w osadach ściekowych i jej skład, co jednak jest tolerowane, biorąc pod uwagę koszta
związane z utylizacją tych pozostałości poza terenem koksowni. Informacje na temat
wielkości tego dodatku są nieliczne, jednak można przyjąć, że nie przekracza się wielkości
3-4%. Warunkiem podstawowym aplikacji przemysłowej jest właściwa preparacja
mieszanki wsadowej, tak by zminimalizować potencjalnie negatywny wpływ dodatku
odpadowego na jakość głównego produktu baterii – koksu.
W Instytucie Chemicznej Przeróbki Węgla w Zabrzu przeprowadzono badania procesu
koksowania mieszanek węglowych z dodatkiem odwodnionego komunalnego osadu
ściekowego. Miały one charakter rozpoznawczy, ze względu na wyjątkowo korzystną
wzajemną lokalizację oczyszczalni ścieków komunalnych oraz baterii koksowniczych
pracujących w systemie ubijanym, występującą w Nowej Hucie koło Krakowa. System
ubijany bardziej sprzyja stosowaniu mieszanki wsadowej o wyższej zawartości wilgoci niż
system zasypowy. Ponadto dodatkowym czynnikiem sprzyjającym jest stosowanie
w procesie technologicznym, w charakterze składnika schudzającego wsadu – pyłu
koksowego, pochodzącego z instalacji suchego gaszenia koksu (ISGK). Pył koksowy
posiada znacznie niższą zawartość wilgoci niż wynoszą wymagania technologiczne dla
wsadu, pomyślnie rokując co do możliwości wprowadzania do niego składników o wyższej
wilgotności. Badania przeprowadzono w okresie obowiązywania w kraju przepisów
prawnych, zezwalających na termiczną utylizację obcych osadów ściekowych w bateriach
koksowniczych [3]. Należy jednak zauważyć, że aktualne nowelizacje przepisów - metodę
tą uniemożliwiają.
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 2(2005)
11
3. Badania laboratoryjne
Dla określenia optymalnego składu mieszanki wsadowej wykonano serię doświadczalnych
koksowań mieszanek wsadowych o zmiennej wielkości dodatku odwodnionych
komunalnych osadów ściekowych oraz pyłu koksowego. Badania wykonano w skali
wielkolaboratoryjnej wykorzystując do tego celu instalację Karbotest. Służy ona do
koksowania węgli i mieszanek wsadowych w warunkach termicznych zbliżonych do
istniejących w przemysłowych piecach koksowniczych. Na podstawie oceny jakości
koksów otrzymanych w tej instalacji, możliwe jest prognozowanie parametrów
jakościowych koksu produkowanego w warunkach przemysłowych [4].
Ocenę jakości otrzymanych koksów oparto o wyniki testu NSC (metoda Nippon Steel
Corporation). Test NSC uznawany jest obecnie za najbardziej przydatny w ocenie
wysokotemperaturowych właściwości koksu wielkopiecowego. Wskaźniki wyznaczane
w teście NSC: reakcyjność koksu wobec CO2 - CRI (Coke Reactivity Index)
i wytrzymałość poreakcyjna - CSR (Coke Strength after Reaction) od szeregu lat należą do
standardowych parametrów jakościowych koksu, stosowanych w ocenie jego przydatności
do procesu wytopu surówki żelaza. Test NSC symuluje zachowanie się koksu w strefie
wysokich temperatur wielkiego pieca, w której reakcja zgazowania koksu dwutlenkiem
węgla jest jednym z czynników odpowiedzialnych za degradację jego ziaren [5, 6].
W Polsce podstawą wykonania testu NSC jest opracowana przez specjalistów Instytutu
Chemicznej Przeróbki Węgla, norma PN-C-04312 Koks z węgla kamiennego. Oznaczanie
reakcyjności wobec dwutlenku węgla i wytrzymałości po reakcyjności, ustanowiona przez
Polski Komitet Normalizacyjny w 1996 r.
W przebiegu testu NSC można wyróżnić dwa etapy:
I etap - oznaczenie wartości wskaźnika reakcyjności CRI.
Próbkę koksu o masie 200 g i uziarnieniu 19 - 21 mm poddaje się dwugodzinnemu
działaniu dwutlenku węgla w temperaturze 1100°C. Zachodząca w tych warunkach reakcja
utleniania węgla pierwiastkowego, powoduje ubytek masy koksu. Wartość wskaźnika CRI
określa procentowy spadek masy próbki koksu w efekcie jej zgazowania CO2.
II etap - oznaczenie wartości wskaźnika wytrzymałości poreakcyjnej CSR.
Próbkę koksu po reakcji z CO2, poddaje się mechanicznej obróbce w bębnie, wykonującym
600 obrotów w czasie 30 minut. Po bębnowaniu koks przesiewa się na sicie o rozmiarach
kwadratowych oczek 10 mm. Wartość wskaźnika wytrzymałości poreakcyjnej CSR określa
procentowy udział nadziarna > 10 mm w próbce koksu po reakcji z CO2, poddanej
mechanicznej obróbce.
3.1. Przebieg badań
Testy koksowania w instalacji Karbotest oraz test NSC przeprowadzono dla:
• mieszanki wsadowej bez udziału pyłu koksowego i dodatku osadów ściekowych
(Mieszanka 1),
• mieszanki wsadowej z 4% udziałem pyłu koksowego (Mieszanka 2),
12
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 2(2005)
• mieszanki wsadowej z 4 i 8% udziałem osadów ściekowych (Mieszanka 3 i 4),
• mieszanki wsadowej z 4% udziałem pyłu koksowego i różnym udziałem osadów
ściekowych: 2, 4 i 8% (Mieszanki 5, 6 i 7).
Stosowana w badaniach mieszanka węglowa oraz pył koksowy pochodziły z koksowni
wchodzącej w skład kombinatu metalurgicznego w Nowej Hucie.
Natomiast osady ściekowe pochodziły z miejskiej oczyszczalni ścieków „Kujawy”
w Krakowie. Charakterystykę tego osadu przedstawiono w tabeli 3.1.1.
Tabela 3.1.1. Charakterystyka odwodnionych osadów ściekowych z oczyszczalni „Kujawy”
(dane pochodzą z comiesięcznych analiz przeprowadzonych w okresie 1 roku)
Oznaczenie
Zawartość wilgoci, %
Zawartość substancji organicznych,
% suchej masy (s.m.)
Zawartość popiołu, % suchej masy (s.m.)
Zawartość metali, mg/kg s.m.
Zn
Pb
Cu
Cr
Cd
Ni
Ca
Mg
Zawartość azotu ogólnego, mg/kg s.m.
Zawartość fosforu ogólnego, mg/kg s.m..
Zawartość azotu amonowego, mg/kg s.m.
pH
minimum
67,1
maksimum
76,3
średnio
71,5
52,4
47,6
61,0
39,0
56,8
43,2
2019
53,5
200
168,8
1,6
51,7
12475
4301
31200
17800
3200
8,23
2719
120
238
257
7,3
77,8
35770
6023
40900
33800
4800
8,70
2363
90,1
216,6
206
3,7
61,6
28266
4858
37017
23657
3883
8,47
Skład mieszanek wsadowych i zawartość w nich wilgoci oraz wyniki badań w postaci
uzysku koksu i jego parametrów jakościowych, zamieszczono w tabeli 3.1.2. Natomiast
poniżej opisano skrótowo proces technologiczny stosowany na tej oczyszczalni.
Do miejskiej oczyszczalni doprowadzane są ścieki komunalne (95%) i przemysłowe (5%) z
dzielnicy Nowa Huta, które poddawane są oczyszczaniu mechanicznemu i biologicznemu
ze wspomaganiem chemicznym dla usuwania fosforu. W procesie technologicznym
oczyszczania ścieków powstają dwa rodzaje osadów: wstępny i wtórny. Oba osady
zagęszczone do zawartości wilgoci 95%, wraz z tłuszczami pompowane są do
wydzielonych zamkniętych komór fermentacyjnych i poddawane fermentacji trwającej
średnio 22 dni. Przefermentowany osad odwadnia się na taśmowych prasach filtracyjnych
do końcowej zawartości wilgoci wynoszącej ok. 70%.
13
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 2(2005)
Tabela 3.1.2. Charakterystyka wsadów węglowych oraz parametry jakościowe koksów
otrzymanych z nich w instalacji Karbotest
Lp Skład mieszanki wsadowej
Mieszanka węglowa
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Zawartość
wilgoci, %
Uzysk
koksu, %
Parametry jakościowe
koksu
CRI, %
CSR, %
100 %
Pył koksowy
0%
Osad ściekowy
0%
Mieszanka węglowa
96 %
Pył koksowy
4%
Osad ściekowy
0%
Mieszanka węglowa
96 %
Pył koksowy
0%
Osad ściekowy
4%
Mieszanka węglowa
92 %
Pył koksowy
0%
Osad ściekowy
8%
Mieszanka węglowa
94 %
Pył koksowy
4%
Osad ściekowy
2%
Mieszanka węglowa
92 %
Pył koksowy
4%
Osad ściekowy
4%
Mieszanka węglowa
88 %
Pył koksowy
4%
Osad ściekowy
8%
8,1
76,8
32,1
53,3
8,0
77,6
38,5
42,7
10,6
77,2
32,4
53,9
13,7
76,7
35,2
48,5
9,1
77,7
39,3
41,8
10,1
77,7
38,1
42,3
13,0
77,4
39,6
41,3
3.2. Analiza wyników badań
Dane zawarte w tablicy 2 uwidaczniają, że wartości wskaźników CRI i CSR koksu
otrzymanego z mieszanek (1) i (3), są podobne. Można na tej podstawie stwierdzić, że
wprowadzenie do wsadu węglowego dodatku osadu ściekowego w ilości 4%, nie powoduje
niekorzystnych zmian w jakości wytworzonego koksu. Pośrednio można również
14
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 2(2005)
wnioskować o nieobecności w osadzie ściekowym substancji katalizujących reakcję CO2
z węglem pierwiastkowym koksu. Znaczne pogorszenie jakości koksu, tj. podwyższenie
jego zdolności reakcyjnej CRI i obniżenie wytrzymałości poreakcyjnej, następuje natomiast
w efekcie wprowadzenia do mieszanki wsadowej pyłu koksowego (mieszanka 2). Dodatek
pyłu węglowego w ilości 4 % spowodował wzrost reakcyjności koksu CRI o 6,4 jednostek
% i obniżenie jego wytrzymałości poreakcyjnej CSR o 10,6 jednostek %. Porównanie
wpływu tych dodatków na wskaźniki jakościowe koksu przedstawiono na rys. 3.2.1.
50
60
50
40
CSR, %
CRI,%
40
30
20
30
20
10
10
0
0
M1
M1+4% pył
M1+4% osad
Skład mieszanki wsadowej
M1
M1+4% pył
M1+4% osad
Skład mieszanki wsadowej
Rys. 3.2.1. Porównanie wpływu dodatku pyłu koksowego i osadów ściekowych do
mieszanki wsadowej, na wartość wskaźników CRI i CSR koksu (M1 - mieszanka wsadowa
zawierająca 100% węgla)
Parametry jakościowe koksów otrzymanych z wsadów węglowych 5-7, zawierających pył
koksowy i osad ściekowy, są podobne i zbieżne z charakteryzującymi koks uzyskany
z mieszanki 2, zawierającej tylko pył koksowy, co przedstawiono na rys 3.2.3. Różnice
w wartościach wskaźników CRI i CSR odnotowane dla w/w koksów, mieszczą się
w granicach dopuszczalnego błędu oznaczania. Wynika stąd, że zawartość osadu
ściekowego w wsadzie węglowym w ilości 2-8%, praktycznie nie ma wpływu na wartości
wskaźników CRI i CSR.
Zwiększenie do 8% udziału osadów ściekowych w wsadzie węglowym (mieszanka 4),
powoduje pogorszenie obu parametrów jakościowych koksu, co obrazuje rys. 3.2.2.
Należy jednak zaznaczyć, że zwiększenie udziału osadu do 8%, powoduje wzrost
zawartości wilgoci całkowitej we wsadzie o około 5%, co jest niekorzystne z punktu
widzenia tak zwiększenia ilości powstających wód procesowych, jak również wpływu na
jakość koksu. Wysoka zawartość popiołu w osadzie ściekowym, prowadzi do
podwyższenia zawartości popiołu w koksie produkowanym z mieszanek wsadowych z jego
udziałem, proporcjonalnego do wzrostu zawartości osadu w wsadzie węglowym.
Wprowadzenie do koksowanego wsadu dodatku osadów ściekowych w ilości 2, 4 i 8%,
skutkować będzie wzrostem zawartości popiołu w produkowanym koksie odpowiednio o
0,3%, 0,6% i 1,2%.
15
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 2(2005)
60
50
50
40
30
CRI, %
CSR,%
40
20
10
30
20
10
0
0
M1
M1+4% osad
M1+8% osad
M1
Skład mieszanki wsadowej
M1+4% osad
M1+8% osad
Skład mieszanki wsadowej
Rys. 3.2.2. Wpływ wielkości dodatku osadów ściekowych do mieszanki wsadowej, na
wartość wskaźników CRI i CSR koksu (M1 - mieszanka wsadowa zawierająca 100%
węgla)
50
60
40
50
CSR, %
CRI, %
40
30
20
30
20
10
10
0
0
M2
M2+2% osad M2+4% osad M2+8% osad
Skład mieszanki wsadowej
M2
M2+2% osad M2+4% osad M2+8% osad
Skład mieszanki wsadowej
Rys. 3.2.3. Wpływ wielkości dodatku osadów ściekowych do mieszanki wsadowej
zawierającej 4% pyłu koksowego, na wartość wskaźników CRI i CSR koksu (M2 mieszanka wsadowa zawierająca 96% węgla i 4% pyłu koksowego)
4. Podsumowanie
Wprowadzenie dodatku odwodnionego komunalnego osadu ściekowego do koksowniczej
mieszanki wsadowej powoduje następujące skutki:
• przy udziale do 4%, nie obserwuje się niekorzystnych zmian w wartościach
wskaźników CRI i CSR koksu. Dodatek w tej ilości można uznać za bezpieczny
z punktu widzenia jakości koksu.
• przy udziale wyższym od 4% osadów w mieszance wsadowej, należy się liczyć ze
stopniowym pogarszaniem się wartości obu wskaźników jakościowych koksu.
• wzrost zawartości popiołu w koksie, w proporcji 0,15% / 1% udziału osadów.
16
Archiwum Gospodarki Odpadami i Ochrony Środowiska, vol. 2(2005)
W efekcie wprowadzania osadów ściekowych do mieszanki wsadowej, każdy wzrost ich
udziału o jeden punkt procentowy powoduje zwiększenie zawilgocenia mieszanki o około
0,65%. Skutki technologiczne z tego tytułu mogą przejawić się w postaci:
• konieczności wydłużenia czasu koksowania
w kanałach grzewczych komór koksowniczych,
lub podwyższenia temperatur
• zwiększenia ilości wytworzonych wód procesowych.
Wyniki przeprowadzonych badań wskazują na to, że udział odwodnionych komunalnych
osadów ściekowych w mieszance wsadowej do koksowania nie powinien przekraczać 4%.
Podejmowane w przemyśle próby koksowania osadów ściekowych są ograniczone do
odpadów własnych zarówno ze względu na wysokie wymagania jakościowe stawiane dla
koksownictwa przez przemysł metalurgiczny jak i bariery legislacyjne.
Literatura
[1] Wasielewski R., Sobolewski A.: Możliwości utylizacji odpadów w procesie
koksowania węgla, Karbo, 2002, 2, s. 40-44
[2] Wasielewski R., Sobolewski A.: Wykorzystanie procesu koksowania do termicznej
utylizacji odpadów, Karbo, 2, 2005, s. 107-112
[3] Sobolewski A., Wasielewski R.: Termiczna utylizacja osadów ściekowych w bateriach
koksowniczych,
EKOPROBLEMY
utylizacji
odpadów
komunalnych
i przemysłowych, 2004, 2, s. 6-8
[4] Wasielewski R., Sobolewski A.: Badania wpływu termicznej utylizacji soli
balastowych w komorach koksowniczych na jakość produkowanego koksu, Paliwa
z odpadów, t. IV, pr. zbior. pod red. J. Wandrasz i K. Pikoń, wyd. Helion Gliwice,
2003, s. 401-410
[5] Arendt P., Huhn F., Kühl H.: CRI and CSR – a Survey of International Round Robins,
Cokemaking International, 2001, vol.13, 2, s. 50-54
[6] Kosewska M., Wróbelska K.: Międzylaboratoryjne badania porównawcze wskaźników
CRI/CSR koksu, Karbo, 2001, 2, s. 72-76
[7] Kosewska M., Wróbelska K., Mertas B.: Wykonanie testu NSC w świetle wymagań
norm ISO/DIS 18 894 i PN-C-04312, Karbo, 2002, 12, s. 346-354.