NÁVRH MATEMATICKÉHO MODELU PRO OPTIMALIZACI VYTVÁŘENÍ SMĚSÍ SPALITELNÝCH ODPADŮ PRO SPALOVNY. PETR BYCZANSKI a a KAREL OBROUČKA b.

Transkript

1 Chem. Lsty 101, (007) Laboratorní přístroe a postupy NÁVRH MATEMATICKÉHO MODELU PRO OPTIMALIZACI VYTVÁŘENÍ SMĚSÍ SPALITELNÝCH ODPADŮ PRO SPALOVNY PETR BYCZANSKI a a KAREL OBROUČKA b a Ústav geonky AV ČR, Studentská 1768, Ostrava- Poruba, b Centrum envronmentálních technologí, VŠB- TU Ostrava, 17. lstopadu 15, Ostrava-Poruba byczansk@ugn.cas.cz, karel.obroucka@vsb.cz Došlo , přepracováno , přato Klíčová slova: odpady, spalování odpadů, energetcké využtí (odpadů), vytváření spaltelných směsí, spalovací pec, sklad odpadů Obsah 1. Úvod. Základní předpoklady 3. Spotý výběr odpadů do dávky ke spálení 4. Dskrétní výběr odpadů do dávky ke spálení 5. Další společné aspekty 6. Závěr 1. Úvod V posledních desetletích e věnována značná pozornost odborníků možnostem využívání energetckého obsahu spaltelných odpadů. Uvedený přístup e podporován současným legslatvním opatřením, která v odpadovém hospodářství upřednostňuí dva základní postupy, a to ednak materálové využtí odpadů ako druhotné surovny, ednak energetcké využtí spaltelných odpadních látek z průmyslu komunální sféry. K tomu, aby byly naplněny podmínky pro energetcké využtí stanovené platným zákonem o odpadech (zákon č. 185/001 Sb. o odpadech v platném znění 1 ), e vyžadováno splnění dvou základních předpokladů. Vedle povnnost prokázat využtí tepla získaného (vznklého) spalováním odpadu de zeména o podmínku, aby po zapálení odpadu ž nebylo př eho následném spalování nutno přvádět podpůrné palvo. S ohledem na rozmantost různých odpadů, které e možno odstraňovat (zneškodňovat) ech spalováním, e zřemé, že pro zaštění výše uvedených podmínek sou nezbytná určtá,,organzační opatření. Ne každý spaltelný odpad má totž dostatečnou mnmální výhřevnost, kte- rá by zabezpečla eho samostatné spalování bez dalšího přívodu tepla zvenčí systému. Odpady se navíc vyznačuí značnou nehomogentou, vysokým obsahem vlhkost a balastních látek a často různých škodlvn, př echž spalování vznkaí nebezpečné emse znečšťuící ovzduší. Uvedené skutečnost nepříznvě ovlvňuí neen průběh vlastního spalovacího procesu, ale možnost účelného využtí vznklého tepla, a v neposlední řadě spolehlvost a efektvní funkc ednotlvých technologí čštění spaln 7. Jeví se proto nezbytné řízeně ovlvňovat složení a výslednou výhřevnost ednotlvých dávek odpadů dodávaných do spalovací pece ke spálení a to takovým způsobem, aby se vlastnost dílčí,,dávky odpadů z hledska svých významných parametrů měnly co neméně, případně, aby se hodnoty těchto parametrů měnly pokud možno plynule. Touto optmalzací složení vsázky e možno zabezpečt neen žádoucí průběh spalovacích procesů př nízké (optmálně nulové) spotřebě podpůrného a dodatečného palva, ale rovněž optmální využtí vznklého odpadního tepla (např. konstantní výroba páry), a to př spolehlvé funkc čštění spaln, neboť ednotlvé stupně čštění mohou v tomto případě pracovat v určtém stálém režmu. Řešení uvedeného problému však vyžadue řízení složení dílčích vsázek (zavážených do spalovací pece obvykle v půlhodnových nebo hodnových ntervalech) v reálném čase. V tomto případě e řešení možné pouze př použtí počítače, s ehož pomocí může operátor na spalovně provést požadovaný výběr odpadů. Přtom musí být k dspozc databáze spaltelných odpadů, echž spalování a energetcké využtí se v konkrétní uvažované spalovně realzue. Cílem výzkumu popsaného v tomto sdělení bylo vytvořt matematcký model pro řízení vsádek kontnuálních spaloven. Nezbytný laboratorní výzkum základních termochemckých vlastností spaltelných odpadů a zpracování výsledné databáze bylo realzováno v rámc řešení úkolu VaV/70/16/03 s názvem,,výzkum spalování odpadů 8 (zadaného v rámc veřené soutěže vyhlášené MŽP) a v rámc řešení proektu GA ČR ev. č. 106/01/1547 s názvem,,výzkum termochemckých a fyzkálních vlastností odpadů s cílem optmalzace spalování a hledání alternatvních metod. Po vybavení pracovště a zpracování podkladů pro databáz odpadů 9,10 byl navržen základní matematcký model 11 řešící optmalzac vytváření směsí spaltelných odpadů.. Základní předpoklady řešení Prncpy procesu. Proces termckého zpracování odpadů ech řízenou oxdací (spalováním) může být realzován v různých konstrukčních typech spalovacích pecí na odpad 6,7 pracuících perodcky (přerušovaně) nebo kontnuálně (spotě). Kontnuálně pracuící pece. Používaí se pece roštové, rotační a né. Pracuí po uvedení pece na provozní teplotu po dobu edné nebo více pracovních směn, ale po dobu několka dnů, týdnů č měsíců, nepřetržtě s plynulým 668

2 Chem. Lsty 101, (007) Laboratorní přístroe a postupy (quazkontnuálním) přívodem nových dávek odpadu plynulým odvodem produktů (plynných produktů spalování tuhých zbytků). Přtom doba pobytu dílčí dávky odpadu v reakční komoře, v níž spalování probíhá, e cca hodny. Čerstvá dávka odpadu e vsazována do pece vyhřáté na potřebnou teplotu, což zastí rychlý průběh procesu. Perodcky pracuící pece. Používaí se pece komorové, muflové apod. Dávka odpadů určená ke spálení e vsazena do studené pece naednou v množství, které odpovídá hmotnostní a tepelné kapactě pece, a (po vyhřátí komory dodatečného spalování na předepsanou teplotu) e následně zapálen podpůrný hořák, ehož účelem e vyhřátí reakční komory pece včetně odpadu, v ní uloženého, na zápalnou teplotu; postupně dochází k růstu teploty a probíhaí ednotlvé fáze spalování odpadu (odpaření vlhkost, odplynění, zapálení plynné hořlavny, zapálení odpadu ). Proces končí praktcky úplným spálením odpadu uloženého do pece; následue chlazení tuhých zbytků v pec, ech odstranění a vyčštění pece. Pec e takto (po cca 10 1 hodnách od začátku procesu) přpravena k nasazení další vsázky spaltelných odpadů. Zaměření matematckého modelu. Navržený matematcký model e zaměřen na kontnuálně pracuící spalovny, které v současnost pro své nesporné výhody tvoří významnou část kapact spalovacích pecí na odpad. Model by bylo možné použít s malým úpravam na spalovny perodcky pracuící a na výrobny alternatvního palva. U kontnuálně pracuících spaloven e pro ech provozní funkc důležtá logstka zásobování spalovny odpady určeným ke spálení. Většna provozovaných spaloven průmyslového (nebezpečného) odpadu má vybudován mezsklad odpadů, ehož účelem e vyrovnání nerovnoměrností vlastností přímých dodávek odpadu do spalovny. Tento mezsklad e obvykle realzován ve dvou základních verzích. Jednou možností e tzv. kontenerový systém, založený na výběru celých obsahů skladovacích kontenerů (např. v počtu 3 až 4 kontenerů) do dílčích dávek odpadů ke spálení. Tento postup se používá obvykle u menších spaloven. Druhou možností pak e uskladnění odpadů ve velkoobemových betonových zásobnících (bunkrech), například v počtu 4 až 10 zásobníků, v nchž sou uskladněny různé spaltelné odpady. Výběr odpadů ke spálení spočívá v tomto případě v odběru určtého množství (určté hmotnost) odpadu z několka vybraných zásobníků tak, aby byla dodržena celková požadovaná hmotnost edné dílčí vsázky. Cíl vytvoření modelu. Cílem e modelování procesu přípravy odpadních směsí a eho následné využtí pro zaštění co neplynulešího chodu spalovny, a to pro případ, kdy má spalovna svů vlastní vyrovnávací sklad odpadů. Prncp řešení. Jádrem řešeného problému e vzáemné smíchávání ednotlvých druhů spaltelných odpadů tak, aby se výsledné parametry spalovacího procesu (výhřevnost, obsah síry, obsah dalších znečšťuících látek) měnly co neplynule, resp. nevybočovaly z předem daných rozsahů. Př využtí tepla e žádoucí, aby eho produkce přílš nekolísala, resp. aby se měnla pouze pozvolna. Odstraňování škodlvn ze spaln vyžadue použtí stých technologí 6,1,. Pro správnou funkc koncových technologí e výhodné, aby se vlastnost odpadních proudů měnly en málo nebo měnly plynule. Například, oprot stuac, kdy v edné dávce e velký obsah síry (kyselých složek) a v další žádný, e výhodněší, když obě dávky budou mít ech polovční obsah. Proces,,odstraňování kyselých složek bude ekonomčtěší a účnněší, potřebné chemkále budou lépe využty. Podmínky řešení. Kdyby se odpady dávkovaly do pece přímo tak, ak sou dováženy, nebylo by co řídt. Proto předpokládáme, že spalovna má stý prostor pro pozdržení některých odpadů. Toto nemusí být realzováno pouze tím, že spalovna má svů velký sklad. Ekvvalentní možností e, že ednotlví producent hlásí, co maí přchystáno, a dspečnk spalovny zpětně oznamue, kdy a aké množství má být dovezeno. Př vytvoření matematckého modelu byl použt předpoklad, že exstue stá konečná množna producentů odpadů a z toho plynoucí stá konečná množna možných druhů spaltelných odpadů. Tyto odpady byly formálně očíslovány. Index odpadu e označen symbolem. Příklad konkrétní stuace: Index odpadu, Dále byl použt předpoklad, že množna vlastností důležtých z hledska spalování e konečná. Tyto sledované vlastnost sou označeny názvem velčny a ndexovány symbolem. Příklad konkrétní stuace: Index velčny, Odpad 1 zaoleované textle plastové obaly 3 obalový papír Velčna 1 výhřevnost odpadu, kj kg 1 obsah síry v odpadu, hm.% 3 obsah chloru v odpadu, hm.% Označování charakterstk odpadu: Předpokládá se, že hodnoty velčn sou vztaženy na ednotku hmotnost odpadu. Pro označování potřebných údaů byla zavedena konvence velčna úda odpad Index nalevo udává sledovanou velčnu (vlastnost), ndex napravo udává druh odpadu. Tímto pozčním rozlšením se zabrání možným nedorozuměním a odstraní se nutnost neustálého opakování významu ndexů v ednotlvých vzorcích. Nedůležtěším výchozím údaem e zastoupení,,velčny v ednotkovém množství,,odpadu. Označíme s e k. Např. 1k 1 e výhřevnost odpadu,,zaoleované textle. V deálním případě sou hodnoty přesné a známé hod- 669

3 Chem. Lsty 101, (007) Laboratorní přístroe a postupy noty. V prax e znalost omezena pouze na něaké pravděpodobnostní rozložení hodnot a e zatížena nestotou. Např. může být známa střední hodnota a rozptyl nebo rozsah ntervalu výskytu. Pokud není konkrétní hodnota známa, e možno využít údaů z vytvořené databáze odpadů 8. Další formalzace a upřesňování popsu chodu spalovny ž značně závsí na uspořádání skladu odpadů a způsobu výběru odpadů do dávky do spalovací pece. 3. Spotý výběr odpadů do dávky ke spálení As neednodušší případ nastává, když uspořádání skladu spalovny lze znázornt dle schématu uvedeného na obr. 1. Systém dávkování. Jednotlvé druhy odpadu sou uskladněny v oddělených boxech. Dávka odpadů ke spálení e tvořena odběry určtých množství (hmotností) odpadů z ednotlvých skladovacích boxů. Aktuální hmotnost,,odpadu označíme M. Předpokládeme, že hmotnost q dávky ke spálení e předem dána např. konstrukcí a tepelným režmem spalovací pece. Hledané hmotnost ednotlvých druhů odpadů v dávce ke spálení (m ) musí splňovat omezení plynoucí z podmínky, že e možné vybírat pouze z toho, co e k dspozc na skladě, a že e nutné dodržet celkovou hmotnost dávky ke spálení. 0 m M m = q Cílem řízení e zastt co neplynuleší chod spalovny (spalovací pece). Označme s hodnoty důležtých velčn v předchozí dávce symbolem h. Chod spalovací pece by byl neplynuleší, kdyby byla pro všechny důležté velčny splněna (1) () podmínka, že e ech hodnota v dané vsádce rovna hodnotě pro vsádku předchozí: h = κ m pro = 1,, I přes průběžné doplňování skladu novým odpadem by zřemě časem (po namíchání mnoha dávek) došlo k tomu, že by tyto rovnost nemohly být splněny. Některý druh odpadu by se hromadl, ného druhu by se nedostávalo. Proto e nutné požadavek na neměnnost některých vstupních parametrů zmírnt. Mírou proměnnost vstupní velčny e rozdíl mez eí hodnotou v předchozí vsádce a v nové vsádce: h Protože malé rozdíly maí na režm spalování menší vlv než rozdíly velké, byl k hodnocení změn vstupních velčn použt kvadrát rozdílu: h κ m Za celkovou míru neplynulost chodu spalovací pece byl použt vážený součet čtverců odchylek: w h κ m Váhy ednotlvých velčn w sou voleny tak, aby respektovaly dvoí hledsko: relatvní důležtost ednotlvých velčn, převedení hodnot na společné měřítko. Požadavek co nevětší plynulost chodu spalovny se potom vyádří ako mnmalzace celkové míry neplynulost režmu: κ m w h κ m = mnmální (3) 1 3 Problém nalezení hodnot m splňuících (1), (), (3) e úlohou kvadratckého programování 13, Dskrétní výběr odpadů do dávky ke spálení M 1 M M 3 M J Obr. 1. Uspořádání skladu spalovny se skladovacím boxy Radkálně odlšné uspořádání skladu spalovny lze znázornt obr.. Odpady sou v tomto případě umísťovány v očíslovaných kontenerech, prázdná místa ve skladu resp. prázdné kontenery sou vyznačeny tečkovaně. Do dávky ke spálení vstupuí celé obsahy ednotlvých kontenerů. Namíchání dávky ke spálení e ekvvalentní výběru sté podmnožny ze všech aktuálně přítomných kontenerů. Vložení obsahu konteneru do vsádky označme po- 670

4 Chem. Lsty 101, (007) Laboratorní přístroe a postupy 1 4 Obr.. Uspořádání skladu spalovny se skladovacím kontenery mocí hodnoty velčny p p = 1... kontener vybrán p = 0... kontener nevybrán. Namíchání dávky odpadní směs vede na kombnatorckou úlohu: p { 0, 1} µ značí hmotnost odpadu v konteneru. 5. Další možnost řešení První otázkou po formalzac procesu namíchání dávky e, zdal řešení vycházeící ze splnění vztahů (1) (3) nebo (4) (6) e ednou možností řešení. Dodržení platnost vztahů (1) a () resp. (4) a (5) e neoddskutovatelné. Místo vztahu (3) resp. (6) e další realstckou možností, že pro některé velčny ze společného krtéra e požadováno dodržení něakých omezení, např. w h κ m = mnmální κ m < mez Příkladem e požadavek, aby obsah síry nepřekročl stou mez a ostatní velčny byly ponechány ve společném mnmalzovaném krtéru. Předpokládeme, že sme schopn obě uvedené úlohy řešt. Vyvstává otázka, zda bude řízení spalovny podle takto navrženého modelu užtečné. Je pravděpodobné, že se na počátku zavedení tohoto omezení proeví příznvě. Průběhy sledovaných velčn budou určtě méně kolísat oprot náhodně přpravovaným dávkám. Po delší době se ale zřemě proeví to, že některé druhy odpadů budou zůstávat neúměrně dlouho na skladě. Pro optmalzac režmu e proto nutno vzít v úvahu (4) q µ p q (5) od do w h κ µ p = mnmální (6) stáří odpadu. Do modelu e nutno přdat eště něakou urgenc, která bude způsobovat růst pravděpodobnost výběru do dávky s rostoucím stářím odpadu. 6. Závěr Procesy spalování odpadů sou z procesního hledska doprovázeny značným stupněm nepřesnost. Důvodem e především značná nehomogenta vlastností spalovaného odpadu, ať ž z pohledu základních charakterstk ovlvňuících chemckou stránku procesu (obsah hořlavny, obsah škodlvn, výhřevnost, zápalná teplota), tak z hledska různé zrntost (kusovost) spalovaných odpadních látek a různé míry vlhkost. Dávkování směs e dskrétní, dané počtem kontenerů nebo drapáků sázecího eřábu, obsahy škodlvn sou dost často pouze odhadnuty. I přesto byl učněn pokus o modelování tvorby vsázky do spalovacího procesu, ehož cílem e zvýšení plynulost tepelné práce spalovny. Byl navržen přblžný postup zmenšení míry neplynulost a zaštění požadavku, aby některý druh odpadu nezůstával neúměrně dlouho na skladě. Navržené modelové řešení tvorby vsázky pro spalovací pec na odpad bylo využto př řešení úkolu Va- V/70/16/03 Výzkum spalování odpadů 8. V rámc dplomové práce 15 byly vytvořeny programy realzuící numercké řešení vztahů (1) (3) a (4) (6) se zahrnutím stáří odpadu. Tyto byly pro oba systémy ověřeny v rámc měřených expermentů na provozovaných spalovnách nebezpečných průmyslových odpadů 8,16,17. Tato práce vznkla v rámc řešení a za fnanční podpory proektu ev.č. VaV/70/16/03,,Výzkum spalování odpadů, vyhlášeného ve veřené soutěž MŽP. Seznam symbolů κ hodnota velčny v ednotkovém množství odpadu M hmotnost odpadu ve skladovacím boxu m hmotnost odpadu v dávce ke spálení q hmotnost dávky odpadu ke spálení h hodnota velčny v předchozí dávce w váha velčny µ hmotnost odpadu v konteneru 671

5 Chem. Lsty 101, (007) Laboratorní přístroe a postupy p q od q do přítomnost konteneru v dávce odpadu ke spálení mnmální hmotnost dávky odpadu ke spálení maxmální hmotnost dávky odpadu ke spálení ndex odpadu ndex velčny LITERATURA 1. Zákon č. 185/001 Sb. o odpadech (v platném znění). Sbírka zákonů ČR, částka 71, ročník Suess M. J. (ed.): Sold Waste Management. Selected Topcs. World Health Organzaton, Copenhagen Bltewsk B., Hardtle G., Marek K.: Abfallwrtschaft. Sprnger Verlag, Berln Brunner C. D.: Incneraton Systems. Selecton and Desgn. Van Nostrand Renhold, New York Rybín M.: Spalování palv a hořlavých odpadů v ohnštích průmyslových kotlů. SNTL, Praha Obroučka K. a kol.: Termcké zneškodňování odpadů. Zpráva o řešení proektu Tempus SJEP TTRIMM 07689, Modul: Waste Management. VŠB-TU Ostrava ČSN Zařízení pro termcké zneškodňování odpadů. ČNI, Praha Obroučka K.: Závěrečná zpráva o řešení veřené zakázky ev.č. VaV/70/16/03,,Výzkum spalování odpadů. VŠB-TU Ostrava, Centrum envronmentálních technologí, lstopad Obroučka K., Fedor J., Dědcová J., Stročková M.: Termochemcké charakterstky spaltelných odpadů. Zpráva o řešení proektu GA ČR č. 106/01/1547, VŠB-TU Ostrava, prosnec Obroučka K., Fedor J., Dědcová J., Stročková M.: Acta Metallurgca Slovaca, č. 4, Byczansk P., Obroučka K.: Optmalzace vytváření směsí spaltelných odpadů. Zpráva o řešení proektu GA ČR 106/01/1547, VŠB-TU Ostrava, březen Stern A. C.: Ar Polluton. Academc Press, New York Havrda J.: Matematcké programování. SNTL, Praha Maňas M.: Optmalzační metody. SNTL, Praha Ferkovč J.: Dplomová práce. VŠB-TU Ostrava, Obroučka K., Ferkovč J.: Optmalzace tvorby vsázek pro spalovny odpadů. Procedngs of 9 th Internatonal Scentfc Conference,,Energy Transformatons n Industry, Hgh Tatras, Slovaka, une Obroučka K., Ferkovč J.: Časops Odpadové fórum č. 1, s (005). P. Byczansk a and K. Obroučka b ( a Insttute of Geoncs, Academy of Scences of the Czech Republc, Ostrava, b Centre of Envronmental Technologes, VSB Techncal Unversty of Ostrava): Mathematcal Model for Burnng Waste Mxtures n Incnerator Optmzaton Due to materal and sze nhomogenety as well as to the contents of mosture, ballast and materals producng dangerous emssons n combuston, t s necessary to control composton and the calorc value of waste batches put to combuston furnace. The batches should dffer n ther mportant parameters only lttle and ther changes should be slow. The optmzaton of charge composton guarantees the desrable course of combuston, low fuel consumpton, optmum heat utlzaton and relable functonng of flue gas cleanng. The paper presents a mathematcal model algorthm for ncnerator operaton. A prerequste for ts applcaton s a database of characterstcs of combustble wastes. 67