Technologie termicznej utylizacji odpadów najszybciej rozwijają się w krajach bogatych oraz tam, gdzie nie ma możliwości składowania. W krajach Unii Europejskiej termiczną utylizację wszelkiego rodzaju odpadów zwierzęcych uznano urzędowo za ekologicznie bezpieczny sposób likwidacji odpadów.

Dokonana ocena różnych procesów technologicznych likwidacji odpadów zwierzęcych pozwala stwierdzić, że wysokotemperaturowe spalanie mączki zwierzęcej przy pomocy technologii KJN, wykorzystującej fluidalną technikę spalania, jest najbardziej „zielonym” rozwiązaniem z punktu widzenia ekologii i najbardziej optymalnym pod względem sprawności termicznej układu.
Utylizacja mączki mięsno-kostnej w skali światowej urosła do olbrzymiego problemu w momencie stwierdzenia, że przyczyną choroby „szalonych krów” u zwierząt kopytnych są priony BSE, pochodzące ze zwierzęcej tkanki mięsno-kostnej. Dodatkowo zgony ludzi spowodowały całkowity zakaz używania mączki mięsno-kostnej jako komponentu pasz zwierzęcych oraz polepszacza gleby. Odkrycia medyczne stwierdzające możliwość przenoszenia BSE na ludzi doprowadziły do obostrzeń uniemożliwiających stosowanie mączki w dotychczasowy sposób. Wykluczone zostały również wszelkie inne sposoby niszczenia jej poza utylizacją w procesach spalania wysokotemperaturowego przy odpowiedniej koncentracji tlenu, w określonejtemperaturze i właściwym czasie egzotermicznej reakcji chemicznej. Dopiero w takich warunkach procesu spalania może być całkowicie usunięte źródło infekcji, jakim są priony BSE.
W zakresie sposobu wykorzystania odpadów zwierzęcych poubojowych w Unii Europejskiej obowiązują Dyrektywy Rady 90/667/EEC i 2000/418/EEC oraz Rozporządzenie (WE) nr 1774/2002 Parlamentu Europejskiego i Rady z 3 października 2002 r.
Literatura światowa i Polska podaje głównie właściwości fizykochemiczne (analiza techniczna i elementarna) różnego rodzaju odpadów zwierzęcych poubojowych1-8.
Nie ma natomiast wielu prac dotyczących suszenia kinetyki termicznego rozkładu, składu produktów pirolizy i kinetyki ich spalania oraz technologii spalania.
Podstawowe prace nad kinetyką szybkiej pirolizy i kinetyką spalania mączki mięsno-kostnej są bardzo nieliczne9-12.
 
Technologia utylizacji
Technologia termicznej utylizacji mączki zwierzęcej realizuje proces wysokotemperaturowej utylizacji w jednym ciągu technologicznym. Proces suszenia i odgazowywania odbywa się w obrotowej komorze, z której gazy pirolityczne przepływają do paleniskowej części komory fluidalnej, a karbonizat podawany jest do złoża fluidalnego. Zarówno gazy pizolityczne, jak i karbonizat ulegają całkowitemu i zupełnemu spalaniu w takim stopniu, że spełniają wszelkie wymogi ochrony atmosfery i gleby. Gorące spaliny z komory fluidalnej wprowadzane są do kotła odzysknicowego, gdzie oddają swe ciepło gorącej wodzie lub parze wodnej.
Prototypowa instalacja o mocy cieplnej 15 MW zrealizowana jest w Zakładzie Przetwórczym „Ostrowite” pod Bydgoszczą, gdzie efektywnie pracuje od połowy 2004 r.
Przy spalaniu mączki mięsno-kostnej uzyskuje się znaczne ilości pary wodnej wykorzystywanej do celów technologicznych w zakładach utylizacyjnych. Takie rozwiązanie pozwala na zastąpienie paliw kopalnych mączką mięsno-kostną, która charakteryzuje się wysokim ciepłem spalania (23 979 kJ/kg), porównywalnym z wysokiej klasy węglem energetycznym.
Uzyskiwane z mączki i innych odpadów zwierzęcych ciepło można również wykorzystać do ogrzewania mieszkań oraz do wytwarzania energii elektrycznej itp. Zakłady utylizacyjne uzyskują tanią energię odnawialną, którą mogą dowolnie wykorzystać, w zależności od potrzeb.
Zastosowana technologia musi z jednej strony zapewnić całkowite i zupełne spalanie, a z drugiej strony dać możliwość uzyskania popiołu w takiej postaci fizykochemicznej, aby stanowił on wartościowy surowiec, np. do produkcji nawozów sztucznych. Biorąc pod uwagę termiczne wysokotemperaturowe przekształcenie mączki w energię cieplną i surowiec do produkcji nawozów, spalanie musi rozdzielać fazę nagrzewu, pirolizy i spalania wydzielonych gazów pirolitycznych od fazy spalania pozostałości w postaci karbonizatu i towarzyszącego popiołu – zarówno w czasie, jak i w przestrzeni. Spalanie gazów pirolitycznych musi odbywać się w przestrzeni, gdzie temperatury mogą osiągać poziom 1400-1600ºC, a karbonitu w temperaturze 800-1000ºC.
 
Różnica w karbonizatach
Badania spalania ziaren mączki wykazały, że wydzielanie i spalania gazów pirolitycznych występuje prawie jednocześnie ze spalaniem karbonizatu. Ziarna te wypalają się w tej samej przestrzeni reakcyjnej kotła, w której gazy pirolityczne. Przy określonych wymiarach geometrycznych komory spalania wytyczony jest minimalny czas przebywania w strefie reakcji (o temperaturach nie mniejszych niż 1150ºC). Jeśli czas ten jest dłuższy od 2 s, to spełnione są wówczas wszelkie rozporządzenia i normy.
Przy spalaniu mączki mięsno-kostnej oddzielny problem stanowi spalanie ziaren kości. Szczególnie znaczne różnice występują w strukturze fizycznej stałej pozostałości po odgazowaniu. Karbonizat z kości posiada bardzo małą reakcyjność i znaczną gęstość pozorną (0,628 g/cm3)
Karbonizat z tkanki miękkiej w 98% składa się z węgla, a ten z kości zawiera go najwyżej 50%. Resztę stanowi substancja mineralna, głównie wapń, potas i fosfor oraz pierwiastki śladowe.
Ziarna karbonizatu kości mają dość znaczne rozmiary i w dużej mierze są separowane ze strumienia gazów pirolitycznych. Nie spalając się w strumieniu gazów, opadają do złoża fluidalnego, gdzie dopiero ulegają całkowitemu wypaleniu w atmosferze gazu fluidalnego o 6-21-procentowej koncentracji tlenu w temperaturach 850-1100ºC (w zależności od temperatury mięknięcia popiołu). Gazy spalinowe opuszczające instalację nie zawierają substancji szkodliwych dla atmosfery. Emisja pyłów do atmosfery jest minimalna i poniżej dopuszczalnej normy. Popiół odprowadzany ze złoża nie zawiera substancji palnych w postaci węgla organicznego. Głównym składnikiem popiołu są związki fosforu, potasu i wapnia, które stanowią surowiec do produkcji nawozów sztucznych.
 
Struktura mączki
Mączka mięsno-kostna jest mieszaniną tkanki miękkiej (pozbawionej w znacznej mierze wilgoci, tłuszczu) oraz ziaren kości zawierających substancję mineralną w postaci związków wapna, fosforu i potasu.
Zawarty w mączce tłuszcz utrudnia transport pneumatyczny i hydrauliczny, ponieważ następuje szybkie oklejanie ścianek rurociągów transportowych i ich zarastanie. Ta cecha mączki wymusza zastosowanie transportu mechanicznego (ślimakowego). Grudki mączki w zetknięciu ze strumieniem spalin o temperaturze 1200-1400ºC ulegają w ciągu 0,1-0,2 s rozbiciu na pojedyncze ziarna i odgazowaniu w czasie 0,2-0,5 s, w zależności od wielkości ziarna. W czasie pirolizy w temperaturach 1100-1300ºC z mączki zostaje odprowadzone ok. 90-92% substancji organicznej w postaci gazów pirolitycznych, które zawierają ok. 24% tlenu organicznego.
Analiza próbek mączki mięsno-kostnej z „Jezuickiej Strugi”, pochodzącej ze zwierząt i ptactwa wykazała znaczne różnice zarówno w zakresie zawartości wilgoci, popiołu, jak i wartości opałowej.
Rozrzut określonych parametrów wskazuje na konieczność dość ścisłego określenia partii mączki mięsno-kostnej, która będzie poddana procesowi termicznej utylizacji. Wymóg ten jest związany z doborem parametrów konstrukcyjnych instalacji do spalania mączki.
Ilość części lotnych w dostarczonej próbie mączki pochodzącej ze zwierząt padłych jest bardzo wysoka – 71,50%. Po przeliczeniu na próbę suchą i bezpopiołową 91,68% wskazuje, że prawie cała substancja organiczna mączki kostnej przy podgrzaniu do temperatury 830ºC przechodzi w części lotne, które stanowią palny gaz węglowodorowy. Pozostała część substancji organicznej mączki tzw. „pozostałość koksowa”, zwana karbonizatem składa się prawie w 100% z węgla.
Analiza elementarna pozostałości koksowej, oprócz pierwiastka C, wykazała ślady siarki (ok. 0,05%) i ślady substancji mineralnej (ok. 0,15), które, jak można przypuszczać, były związane z pierwiastkami substancji organicznej mączki. Mączka pod względem klasyfikacji jest podobna do niskozapopielonego węgla brunatnego, a szczególnie do jego wysokożywicznej odmiany petrograficznej – piropissytu.
Wysokie ciepło spalania wynika głównie z dużej zawartości wodoru. Wysoki poziom tlenu stawia mączkę w gronie paliw o znacznej reaktywności i daje możliwość podawania mączki kostnej do komory spalania z niewielką ilością powietrza. Tlen zawarty w substancji organicznej mączki stanowi prawie 20% tlenu niezbędnego do całkowitego spalania.
Niewielka zawartość siarki (0,1%) wskazuje na jej organiczne pochodzenie. Jest ona w 100% palna, związana z substancją organiczną mączki i nie stanowi żadnego zagrożenia dla otoczenia. Nie stwierdzono również w produktach pirolizy żadnych związków siarki z węglem, wodorem lub azotem, które mogłyby stwarzać zagrożenie ekologiczne. Wysoka zawartość azotu, który chemicznie jest związany z substancją organiczną mączki, będzie powodować powstanie tzw. „paliwowych tlenków azotu”. Pod względem zawartości azotu mączka znajduje się w gronie wysokozaazotowanych węgli energetycznych.
 
Spalanie mączki
Wysoka zawartość części lotnych w substancji organicznej mączki pochodzącej z padłych zwierząt (91,68%) powoduje, że jej spalanie sprowadza się głównie do pirolizy i spalania wydzielonych gazów węglowodorowych. Faza ta to ok. 90% całkowitego czasu wypalania ziaren mączki. Określona w warunkach standardowych, wynikających z polskich norm ilości części lotnych, pochodzi z powolnego nagrzewu substancji organicznej mączki. Warunki spalania w komorze kotła odbiegają znacznie od tych określonych w PN. Temperatura ośrodka, do którego wprowadza się mączkę (jest znacznie wyższa) wynosi ok. 1300ºC. Termiczna przemiana mączki przebiega w warunkach tzw. szybkiej pirolizy, w których w gaz węglowodorowy przechodzi większa masa substancji organicznej mączki. Określona w tych warunkach ilość części lotnych wynosi 96,47%. Pozostała część substancji mączki w ilości niecałych 4% występuje jako karbonizat o bardzo wysokiej porowatości (ok. 85%) spalanej w postaci fazy stałej.
 
Minimalna temperatura zapłonu
Jako minimalną temperaturę przyjęto temperaturę ośrodka gazowego, przy której następuje zapłon i wypalanie ziarna.
Z uwagi na fakt, że mączka zwierzęca składa się z dwóch oddzielnych morfologicznie struktur badania przeprowadzono oddzielnie dla ziaren kości i ziaren mięsa. Najwyższą temperaturę zapłonu posiadają ziarna o najmniejszych wymiarach, niezależnie czy pochodzą z kości, czy z tkanki miękkiej. Najmniejsze frakcje ziarnowe mięsne charakteryzują się minimalną temperaturą zapłonu w granicach 500ºC, a ziarnowe frakcje kostne w granicach 560-580ºC.
Najniższą temperaturę zapłonu posiadają frakcje mięsne o rozmiarach powyżej 200 µm (minimum 300ºC) i nieznacznie zależy tu od średnicy ziarna. Podobne tendencje wykazują frakcje ziarnowe kości, lecz o rozmiarach powyżej 1000 µm. Minimalna temperatura zapłonu tych frakcji wynosi 350ºC. Dla ziaren kości o rozmiarach w przedziale od 20 do 1000 µm, minimalna temperatura zapłonu spada od wartości 560-580ºC do ok. 350ºC.
 
Czas zapłonu
Zależność czasu zapłonu ziaren mączki pochodzącej z tkanki miękkiej od wielkości frakcji ziarnowej i temperatury komory spalania przedstawiono na rysunku. Jest on praktycznie równy czasowi, w którym nastąpi termiczny rozkład substancji organicznej ziarna i utworzy się mieszanka gazowa zdolna do zapłonu. Najniższy (poniżej 1 s) mają ziarna o najmniejszych rozmiarach. Czas zapłonu ziaren asymptotycznie dąży ze wzrostem temperatury do wartości granicznej charakterystycznej dla danej substancji organicznej. Można przyjąć, że główna masa ziarnowa o rozmiarach 100 µm będzie ulegać zapłonowi w czasie 0,7-0,8 s przy temperaturach ośrodka 800-900ºC. Zapłon ziaren kości, jest nieco dłuższy od mięsnych. Dla 850ºC, czas zapłonu ziaren poniżej 100 µm jest dłuższy od czasu zapłonu ziaren mięsnych o ok. 0,2 s.
W przypadku ziaren o wymiarach 1000 µm czas zapłonu ziaren kości jest dłuższy o ok. 0,7-0,8 s.
Różnice w czasach zapłonu obu rodzajów ziaren nie są zbyt duże z uwagi na fakt, że następuje on w momencie utworzenia się palnej mieszanki gazowej powstałej wokół ziarna z wydzielonych gazów pirolitycznych i tlenu z otoczenia. Ponieważ w fazie nagrzewu początkowa szybkość wyjścia części lotnych z ziaren obu struktur jest zbliżona, to również i czas zapłonu. W tym przypadku jest on miarą powstania gazowej mieszanki palnej wokół ziarna. W przypadku ziaren kości obserwuje się niekiedy zanik płomienia spalających się części lotnych i tym samym spalania. Następuje to w wyniku końca wydzielania się części lotnych z ziarna. W najniższych temperaturach ośrodka (850ºC) zachodzi ponowny zapłon fazy stałej ziarna po czasie 5-6-krotnie dłuższym od początkowej fazy zapłonu.
 
 
dr inż. Henryk Karcz, Marcin Kantorek, Katedra Kotłów i Turbin, Wydział Mechaniczno-Energetyczny, Politechnika Wrocławska, Andrzej Kozakiewicz, Michał Grabowicz, Stanisław Szczepaniak, ZBUS-TKW Combustion Głowno
 
Źródła
  1.  Duda J.: Mączki mięsno-kostne paliwem w procesie wypalania klinkieru cementowego. [W:] Praca zbiorowa pod red. Wandrasz J.W., Pikon K.: Paliwa z odpadów tom IV. Wyd. Helion. Gliwice 2003.
  2. Warnecke R.: Mitverbrennung vo Thermehl. „Umwelt” 4, 5/2001.
  3. Domalski E.S., Milne T.A.: Termodynamic data for biomass materials and waste components. The Amerycan Society of Mechanical Engineers. New York 1987
  4. Wandrasz A.Z., Wandrasz A.J.: Badania składu elementarnego i własności kalorycznych produktów zwierzęcych. Praca niepublikowana na prawach rękopisu 2005.
  5. Mastalerz N.: Chemia organiczna. Wyd. PWN. Warszawa 1986.
  6. Kupryszewski G.: Wstęp do chemii organicznej. PWN Warszawa 1977, 1988.
  7. Ścierski W., Nadziałkiewicz J.: Zapłon paliw odpadowych w warstwie usypanej na ruszcie stałym. [W:] Wandrasz J.W., Nadziałkiewicz J.: Paliwa z odpadów tom II. Wyd. Helion. Gliwice 2000.
  8. Schaeft A.: Verfahrenstechnischer Stand der Trocknung Und Verbrennung von Klarschlam KABV Komunaler Abfallbeseitigung Saar. Zbiór mat. 7 Abfallwirtschafflichen Technologium Saarbrucken 1987.
  9. Karcz H., Kozakiewicz A.: Utylizacja termiczna mączki kostnej w instalacji pilotowej. „Czysta Energia” 5/2004.
  10. Karcz H., Kozakiewicz A.: Własności fizykochemiczne mączki kostnej i tłuszczu zwierzęcego. „Rynek Energii” 3/2004.
  11. Karcz H., Kozakiewicz A.: Energia z odpadów o podwyższonym zagrożeniu. „Czysta Energia” 5/2005.
  12. Karcz H., Kozakiewicz A.: Sposób termicznej utylizacji odpadów zwierzęcych. „Energetyka” 11/2007.

W następnej części artykułu szerzej zostanie przedstawione spalanie mączki zwierzęcej w instalacji ze złożem fluidalnym.