Kritéria pro využívání odpadních olejů

Energie obsažená v odpadních olejích zůstává při spalování v takových zařízeních nevyužita. Proto byl pojat záměr na konstrukci kogenerační jednotky, kde by se získávala jak energie elektrická, tak i tepelná. Aby se olej mohl spalovat v kogeneračních jednotkách nebo v kotelnách, musíme stanovit kritéria pro jeho využití.

Vlastnosti odpadních olejů

Během používání mazacích olejů dochází ke zhoršování jejich normovaných vlastností. Působením vysokých teplot, tlaků a katalytickým působením povrchů dochází k částečnému rozkladu a oxidaci uhlovodíků a dalších příměsí.

Rovněž zušlechťující přísady (aditiva) podléhají během provozu značným změnám (částečný rozklad), probíhá jejich oxidace parciální i úplná, dochází k různým vzájemným reakcím mezi přísadami a produkty oxidace uhlovodíků, sirných sloučenin a dalších látek. Vznikají tak velmi složité sloučeniny s nedefinovaným účinkem na uhlovodíkový základ. Vedle toho se v oleji hromadí prach, kovový otěr, voda ze spalování paliv atd.

Po určité době, dané počtem provozních hodin nebo počtem ujetých kilometrů, je třeba olej vyměnit, protože jeho užitné vlastnosti se již výrazně odlišují od předepsaných hodnot mazacího prostředku pro dané zařízení. Olej ztrácí mazací účinky, nahromaděním produktů stárnutí by mohlo dojít ke zhoršení nebo úplnému zastavení přívodu maziva. Výsledkem by pak bylo poškození nebo zničení součástí nebo strojního zařízení.

Upotřebené oleje se mění v servisech a většinou se spalují přímo v provozech v kotlích bez dalšího využití energie. Takové spalování neodpovídá zákonným předpisům.

Tyto oleje jsou typické vysokou hodnotou kinematické viskozity, zvýšeným obsahem příměsí síry, vanadu, mechanických nečistot a vody. Příměsi mají nepříznivý vliv na korozi, karbování a opotřebení funkčně důležitých součástí motoru. Obsah síry se u olejů pohybuje kolem 0,5 až 1,5 %. Sloučeniny síry (hlavně oxid siřičitý a sírový s vodou obsaženou v palivu) vytvářejí kyseliny, které napadají pístovou skupinu, vstřikovací zařízení apod. Korozivní soli vanadu napadají sedla výfukových ventilů. Pro tyto oleje je typické zvýšeným vytvářením karbonu ve spalovacím prostoru a ve výfuku.

Charakteristické vlastnosti vyjetého motorového oleje jsou uvedeny v tab. 1.

Možnosti využití olejů

Analýzy ukázaly, že podstatná část upotřebeného oleje zůstává nezměněna. Škodlivé látky zhoršující jejich vlastnosti představují kolem 10-15 % z celkového množství oleje. Odstraněním těchto látek (produktů oxidace, termického i katalytického rozkladu, polymerace a kondenzace) je možno získat olej pro nové zpracování. Regenerace je vhodná pro oleje transformátorové, turbínové a hydraulické.

Zcela nevhodná je regenerace motorových olejů, protože je nákladná a zákazník si regenerovaný motorový olej nekoupí -obsahuje mnoho sazí a je černý.

Pro regeneraci upotřebených olejů hovoří důvody ekologické a ekonomické. Upotřebený olej při proniknutí do půdy může na dlouhou dobu znehodnotit povrchové, ale především podzemní vody. Z hlediska ekonomiky je důležité, že výtěžek regenerátu je 70-80 % a může být použit pro přípravu nových mazacích olejů. Hlavním úkolem regenerace je tedy odstranění lehkých podílů, vody, produktů stárnutí olejů a rozložených přísad.

Odpadní oleje nevhodné k regeneraci lze spálit ve spalovnách nebezpečných odpadů. Druhou možností by mohla být úprava na palivo pro kotelny. K tomu však musí splnit řadu kritérií. Mezi základní patří obsah síry, destilační zbytek a viskozita.

V kogeneračních jednotkách se bude z odpadního motorového oleje získávat energie elektrická i tepelná. Teplo se získává z chlazení motoru a z chlazení spalin. Pro trvalý provoz naftového motoru kogenerační jednotky na vyjeté motorové oleje je nutné palivo dokonale vyčistit, odstranit mechanické nečistoty, vodu a předehřát palivo na teplotu, aby viskozita paliva před vstřikovacím čerpadlem poklesla na doporučenou hodnotu 12 až 14 mm²s^-1.

Tato paliva se čistí třemi základními způsoby: usazováním, odstřeďováním a filtrací. K částečnému usazování vody a mechanických nečistot dochází v zásobních nádržích, usazené nečistoty se potom vypouštějí. Odstřeďování paliva je doposud stále považováno za nejvhodnější způsob čištění paliva, z paliva lze odstranit nejen mechanické nečistoty, ale především těžší částice vody. Filtrací se odstraňují nejmenší nečistoty průtokem přes filtrační vložky.

Stanovení kritérií

Abychom mohli využívat odpadní motorové oleje jako palivo, musíme stanovit podmínky, za kterých můžeme tyto oleje spalovat. Před úpravou se provedou testy na přítomnost halogenních prvků, těžkých kovů, oleje také nesmí obsahovat různá ředidla a odmašťovadla. Pokud jsou tyto oleje zcela nevyhovující, spalují se ve spalovnách odpadů.

V oleji nesmí být více než 0,006 (% hm). chlóru, tj. vzorek musí být zařazen do skupiny I až III. Chlór je zcela nevhodný z hlediska emisí a kromě toho, vzhledem k obsahu vody v oleji, lze očekávat rezivění ocelových částí palivové soustavy v důsledku možné tvorby chloridových iontů.

Maximální rozměr částic v oleji musí být 5 mm, jinak dochází k mechanickému poškození dříku jehly a sedla trysky, protože vůle mezi sedlem a jehlou je 5 mm. V případě výskytu větších částic může dojít k ucpání vstřikovacích otvůrků na trysce.

Kinematická viskozita musí být 12 až 14 mm².s^-1. Před přivedením paliva do vstřikovacího čerpadla je nutné palivo ohřát, aby jeho kinematická viskozita klesla na běžně udávanou hodnotu podle výrobce paliv na 12 až 14 mm².s^-1. Během provozu motoru je nutné regulovat, udržovat hodnotu kinematické viskozity na konstantní optimální výši, aby nedocházelo k nadměrnému namáhání vstřikovací soustavy. Viskozitu lze regulovat pomocí regulátoru teploty nebo regulátoru viskozity.

Maximální obsah PCB a PCT v oleji může být 10 ppm. Tyto látky jsou nebezpečné z hlediska tvorby PCDD a PCDF. Maximální obsah síry je 1 (% hm). Síra působí negativně ve spalinách a v motorech způsobuje korozi. Obsah Cd, Ni, Cr, Cu, V, Pb, tj. skupiny těžkých toxických kovů.

Maximální obsah vody je 5 (% hm). Se zvyšujícím se obsahem vody klesá výhřevnost. Minimální výhřevnost oleje 30 MJ/kg. Hodnota Conradsova karbonizačního zbytku (CCT) nemá přesáhnout max. 1 % hm. Vyšší množství vytváří úsady ve spalovacím prostoru a v tryskách. Obsah popela v oleji má být max. 1 % hm. Se zvyšujícím se obsahem popela dochází ke vzniku nánosů ve spalovacím prostoru.

Ke snížení tvorby úsad a k dokonalému promíchání přísad přidávaných do olejů je vhodné použít detergenty. Množství těchto detergentů by nemělo přesáhnout 0,05 % hm. Použití těchto detergentních přísad vede také ke snížení tvorby nánosů, které ucpávají vstřikovací otvůrky na tryskách.

Ověření kritérií

Podle výrobců trysek by se teplota trysky měla pohybovat v rozmezí 120 až 180^o C. Teplota čela nechlazené trysky byla 235^o C a teplota čela chlazené trysky byla 170^o C. Tím se prodloužila životnost trysky a docílilo se zamezení tvorby karbonových úsad na trysce.

Dále se provedla úprava trysky, která spočívala v úpravě vstřikovacích otvůrků. Motor, který je osazen tryskami, které mají méně vstřikovacích otvorů o větším průměru, se chová lépe, než motor, který je osazen tryskami s větším počtem vstřikovacích otvorů o menším průměru. Výkon motoru byl konstantní a mnohem více se snížila jeho kouřivost.

Vzhledem k možnosti výskytu větší částice v oleji může dojít také k zacpání vstřikovacího otvoru trysky, proto je výhodnější tryska s většími vstřikovacími otvory.

Při zkouškách byly používány dieselagregáty vyrobené v ČKD Hradec Králové. Jedná se o stacionární motory ČKD 6-27,5 A2S. Motory jsou nízkotlaké, přeplňované se šesti válci. Výkon 530 kWe při 600 ot/min.

Při spalovacích zkouškách se po určité době projevily na špici trysky závady. Při příliš vysoké teplotě trysky dochází po velmi krátké době k vytvoření úsad karbonu na čele trysky, který ucpává vstřikovací otvory a v důsledku toho ke změně funkčních parametrů trysky a k rychlému zhoršení spalování. Tento problém se odstranil použitím chlazených trysek a použitím detergentní přísady dodávané do paliva.

K ověření správnosti kritérií byl proveden test, při kterém byly dodrženy všechny předepsané podmínky. Jako detergentní přísada byl použit bycosin, který by měl omezit vznik úsad. Motor byl osazen chlazenými tryskami DOPH 140T9x0,32. Teplota čela trysky byla

180 ^oC.

Při měření byl použit upravený motorový olej zahřátý na 80 ^oC.

Výkon motoru byl 400 kWe. Emisní limity jsou stanoveny na použití kogenerační jednotky: Obsah CO byl 650 mg.m^-3 a obsah NOx dosáhl 4000 mg.m^-3.

Na základě měření lze říci, že viskozita, obsah popela a karbonizační zbytek nemají typické hodnoty pro čistý motorový olej. Obsah síry ve vyjetém motorovém oleji je řádově vyšší než v současné motorové naftě. Také obsah mechanických nečistot je mnohonásobně vyšší. Takto znečištěný vyjetý motorový olej není vhodný k využití jako palivo. Proto je nutné olej dokonale vyčistit a odstranit z něj látky, které po spálení mají nepříznivý vliv na emise. Při dokonalém vyčištění odpadního oleje docílíme také zvýšení životnosti vstřikovací soustavy motoru. Proto byla navržena kritéria, podle kterých je možné oleje spalovat. Při dodržení těchto kritérií probíhá spalování podle ekologických norem.

Spalovaní olejů může probíhat i v kotelnách, kde by takto upravený olej neměl činit větší problémy.

Při spalování upotřebených motorových olejů je vhodné použít detergentní přísady, které zmírňují tvorbu úsad na tryskách a ve spalovacím prostoru. Podle vyjádření dodavatele by měla být přísada použita v koncentraci 0,05 %.

Aby se mohl upotřebený motorový olej ekologicky spalovat, je nutné dodržet stanovená kritéria (tab. 2).

Dále je nutné provést také úpravu na motoru. Motor musí být osazen chlazenými tryskami, které prodlouží jeho životnost a zabrání tvorbě úsad karbonu.

Tomáš Oborný,

Fakulta strojní -katedra energetiky,

VŠB-TU, Ostrava