Nepřímá termická desorpce s katalytickým spalováním - od vsázkového ke kontinuálnímu systému

Transkript

1 Nepřímá termická desorpce s katalytickým spalováním - od vsázkového ke kontinuálnímu systému Ing. Helena Váňová, Ing. Robert Raschman, RNDr. Jan Kukačka Dekonta, a.s., Dřetovice 109, Stehelčeves vanova@dekonta.cz, techlab@dekonta.cz Souhrn Termická desorpce je progresivní sanační technologie umožňující vysoce účinné a rychlé odstranění kontaminantů z matrice. Společnost DEKONTA vlastní vsádkovou vakuovou jednotku termické desorpce s nepřímým ohřevem o kapacitě 100 l. Na základě výsledků výzkumných zkoušek prováděných na vsádkovém zařízení byla navržena kontinuální jednotka termické desorpce s nepřímým ohřevem o kapacitě až 1,5 t/hod. Úvod Termická desorpce je vysoce účinná a rychlá technologie, jejímž principem je ohřev kontaminované matrice na teploty, při nichž dochází k uvolnění znečisťujících látek do plynné fáze. Plynná fáze je následně spalována, nebo kondenzována. Termická desorpce nalézá uplatnění při zpracování široké škály kontaminantů. Metodu lze využít k odstranění kontaminace rozpouštědly, pohonnými hmotami, oleji, polyaromatickými látkami, PCB, pesticidy nebo i rtuti. Výhodou je rovněž možnost zpracování i velmi silně kontaminovaných matric. Termická desorpce nalézá uplatnění nejenom v sanačních procesech, ale je využívána i ve výrobních procesech za účelem recyklace surovin, nebo zmenšení objemu odpadu. Zařízení, která využívají princip termické desorpce, mohou být postavena v různých uspořádáních, kdy se jednotlivé procesy mohou odlišovat v pracovní teplotě, způsobu ohřevu, pracovním tlaku, zpracování plynné fáze apod. Vzhledem k široké škále kontaminantů, jejich různé koncentraci a různému charakteru matrice je vhodné nejprve v menším měřítku ověřit, zda je metoda termické desorpce pro zpracování takového materiálu vhodná a za jakých podmínek lze dosáhnout očekávaných účinností. Společnost DEKONTA se věnuje termické desorpci již několik let a to zejména z hlediska aplikovaného výzkumu. Pro tyto účely byla pořízena poloprovozní vsádková jednotka vakuové termické desorpce s nepřímým ohřevem a v současné době je uváděno do provozu plněprovozní kontinuální zařízení. Vsádkový systém Vsádkové systémy mají obecně nižší kapacitu a pracují diskontinuálně. S výhodou je ale možné je používat tam, kde je vstupní materiál generován postupně (např. zařazení desorpce do výrobních procesů), nebo tam, kde není možné zajistit přibližně stejné vlastnosti pro velký objem materiálu. Popis použité technologie Vsádková míchaná jednotka vakuové termické desorpce s nepřímým ohřevem, kterou disponuje společnost DEKONTA, se skládá ze tří částí - desorpční komory (obrázek 1), kondenzační jednotky (obrázek 2) a jednotky pro ohřev oleje (obrázek 3), kterým je vyhřívána desorpční komora. Parametry testovacího zařízení jsou následující: Objem: 100 l Otáčky: ot./min.

2 Max. teplota pláště: 400 C Běžně dosahovaný tlak: mbar Komoru lze připojit k PC, kde je možné nahrávat tato data - teplotu pláště, teplotu produktu v komoře, tlak v komoře, rychlost míchání a příkon míchadla. Tyto hodnoty lze sledovat přímo na kontrolním panelu. Dále je pomocí ručičkového manometru sledován tlak v kondenzační jednotce. Kondenzační jednotka je dále vybavena zařízením pro chlazení vody pro kondenzátor, kde lze nastavit teplotu v rozsahu 8 až 30 C. Chladící voda proudí v uzavřeném okruhu. Na výstupu ze systému je umístěn filtr s aktivním uhlím, který slouží k záchytu nekondenzovatelných lehkých podílů. Obrázek 1: Desorpční komora vsádkové jednotky

3 Obrázek 2: Kondenzační jednotka vsádkové jednotky Obrázek 3: Jednotka ohřevu oleje pro vsádkovou jednotku.

4 Výzkumný projekt TheCat Vsádková jednotka byla využita při řešení výzkumného projektu TheCat (FR-TI1/059) "Dekontaminace odpadů kombinací termické desorpce a katalytického spalování," jehož cílem bylo vývin a ověření technologie přímo propojující termickou desorpci s katalytickou spalovnou. Projekt byl úspěšně zakončen udělením patentu. V rámci výzkumného projektu TheCat bylo testování několik typů kontaminovaných materiálů - modelové zeminy, reálné zeminy, stavební sutě, ropné kaly, dehty; na kterých byly ověřeny provozní podmínky potřebné k úspěšnému vyčištění materiálu. Během těchto zkoušek byla sledována nejenom kvalita kondenzátu, ale i kvalita odcházející vzdušiny. Tato data byla využita při návrhu části katalytického spalování. Výzkum katalyzátorů a příprava katalytické spalovny byl hlavní výzkumný úkol Ústavu chemických procesů AV ČR. Souběžně s desorpčními zkouškami byly testovány a vybírány vhodné katalyzátory a byly provedeny úpravy testovací katalytické spalovny. Kromě aktivity a selektivity katalyzátorů při oxidaci vybraných látek, byla sledována i jejich odolnost vůči potenciálním katalytickým jedům - vodní páře, oxidu siřičitému a prachu. Po ukončení dílčích výzkumných prací bylo přistoupeno k vlastnímu propojení obou zařízení. Jako propojovací prvek byl navržen a vyroben ejektor, kterým do katalytické spalovny proudí spalovací vzduch, který vytváří podtlak v desorpční komoře a strhává tak desorbované látky do spalovací komory. Schéma technologie je znázorněno na obrázku 4. Obrázek 4: Schéma technologie TheCat Po sestavení a ověření testovacího zařízení byla provedena sada zkoušek, jejichž cílem bylo ověření technologie při zpracování modelově a reálně kontaminovaných vzorků. Byla testována kontaminace BTEX, naftou a polyaromatickými uhlovodíky. Výsledky zkoušek a to jak z hlediska dosažené účinnosti odstranění kontaminantů z matrice a z hlediska účinnosti odstranění kontaminantů z proudu vzdušiny, tak i z hlediska zbytkových obsahů a výluhových zkoušek. Účinnost odstranění kontaminantů se pohybovala na 82 %, účinnost katalytického spalování se pohybovala nad 90%. Výsledky testů shrnuje tabulka 1. Obrázky 5 a 6 ilustrují průběh jednoho z modelových testů. U vzorků byly dále vyhodnocovány i parametry dle vyhlášky MŽP č. 294/2005 pro ukládání odpadů na skládky. Všechny vzorky splňovaly s velkou rezervou parametry pro výluhovou třídu IIa a bylo by možné je odstranit/využít na skládkách skupiny S-ostatní odpad.

5 Teplota [ C] Tlak [mbar], TOC.10-1 [ppm] Tabulka 1: Výsledky provedených zkoušek technologie TheCat. Vzorek Kontaminant Účinnost odstranění [%] T produkt, max. [ C] Doba testu [min] TC01 BTEX 99, TC02 BTEX 99, TC03 C 10 -C 40 97, TC04 BTEX > 99, TC05 TC06 TC07 TC08 C 6 -C 9 > 97,1 C 10 -C PAH 93,5 C 6 -C 9 > 93, C 10 -C 40 > 99, PAH 82,8 C 6 -C 9 > 87,9 C 10 -C 40 88, PAH 82,5 C 10 -C 40 42,3 NEL 32, PAH 25,5 200 TheCat prudký nárůst teploty v reaktoru - ochlazení Doba testu [min] Teplota produktu Tlak TOC vstup TOC výstup Obrázek 5: Modelový test technologie TheCat - koncentrace TOC na vstupu a výstupu ze spalovny.

6 Účinnost [%] Teplota [ C] 100,0 TheCat , , ,0 prudký nárůst teploty v reaktoru - ochlazení 50 96, Doba testu [min] Účinnost Teplota produktu Obrázek 6: Účinnost katalytického spalování během modelového pokusu. Kontinuální systém Na základě dobrých výsledků výzkumného projektu TheCat bylo rozhodnuto o stavbě mobilní kontinuální jednotky. I přesto, že jsou oba systémy velmi odlišné, lze výsledky získané provozováním vsádkové desorpční jednotky využít při návrhu kontinuálního zařízení. Popis zařízení Kontinuální jednotka nepřímé termické desorpce je určena ke zpracování zemin a odpadů kontaminovaných látkami, které lze odpařit při teplotách do 600 C. Jednotka se skládá ze dvou částí - rotační pece a zařízení pro zpracování desorbovaných podílů. Jednotlivé části jsou umístěny v kontejneru tak, aby celá desorpční jednotka byla mobilní a mohla být jednoduše přemístěna. Rotační pec je řešena jako nepřímo vyhřívaná dvouplášťová horizontálně uložená rotující komora. Komora je konstruována tak, aby byl minimalizován přístup okolního vzduchu do vnitřního prostoru komory, zároveň je k jednotce připojeno dusíkové hospodářství. K ohřevu desorpční komory je používán LTO. Zařízení pro zpracování desorbovaných podílů slouží k úpravě kvality a teploty plynů uvolňujících se v rotační peci tak, aby tyto plyny mohly být dále zpracovány v katalytické spalovně. Základní součásti tohoto zařízení jsou: ventilátor pro odtah desorbovaných podílů (nevýbušné provedení), cyklón (1. stupeň odprášení) a filtr z kovové tkaniny (2. stupeň odprášení). V závislosti na konkrétní aplikaci je možné nahradit katalytickou spalovnu kondenzačním systémem, dopalovací komorou a/nebo pračkou plynů. Celá jednotka nepřímé termické desorpce se skládá celkem z 5 kontejnerů a nádrže na LTO o objemu 10 m 3. Obrázky 7 a 8 znázorňují pohled na desorpční komoru a její opláštění.

7 Parametry kontinuální desorpční linky jsou následující: Rotační pec: průměr 1,2 m, délka 8 m Provozní teplota v peci: min. 450 C Otáčky pece: 0-10 ot./min. Podélný sklon pece: 0-5 Provozní výkon pece: min kg / hod. Obrázek 7: Pohled na rozpracovanou desorpční komoru. Shrnutí Obrázek 8: Pohled na rozpracovaný vnější plášť desorpční komory.

8 Vsádková čtvrtprovozní desorpční jednotka umožnila realizaci výzkumného projektu "Dekontaminace odpadů kombinací metod termické desorpce a katalytického spalování" a zároveň umožňuje provádět další desorpční zkoušky jak v interní, tak v komerční rovině. Výsledky a získané zkušenosti významně napomohli přípravě projektu výstavby vlastní mobilní kontinuální linky nepřímé termické desorpce. V současné době je tedy možné v menším měřítku ve vsádkovém systému ověřit průběh desorpční zkoušky, parametry procesu ale také identifikovat případná rizika a následně přejít k měřítku provoznímu. Poděkování Projekt TheCat Dekontaminace odpadů kombinací metod termické desorpce a katalytického spalování č. FR-TI1/050 vznikl za finanční podpory prostředků státního rozpočtu České republiky v rámci programu výzkumu a vývoje TIP Ministerstva průmyslu a obchodu. Kontinuální jednotka termické desorpce byla postavena v rámci projektu Rozšíření výzkumné základny recyklačních technologií DEKONTA č. 4.2 PT03/854, který vznikl za finanční podpory prostředků státního rozpočtu České republiky v rámci Operačního programu Podnikání a inovace programu Potenciál Ministerstva průmyslu a obchodu.