Плавка ТБО в слое расплавленного шлака




 

Технология плавки отходов в расплавленном шлаке (сокращенно ПОРШ) позволяет перерабатывать ТБО различного состава и фракций без какой-либо предварительной подготовки [7,8]. В большинстве случаев процесс ведется при температурах 1250-1450 °С при интенсивном барботаже (продувке) ванны расплава окислительными газовыми струями (печь Ванюкова). Это позволяет перевести в жидкое состояние (в расплав) все составляющие ТБО, в том числе камни, стекло, металл и другие включения, а также предотвращает образование высокотоксичных органических соединений.

Использование для процесса ПОРШ дутья, обогащенного кислородом (до 40 - 60 % кислорода), позволяет вести плавку ТБО без добавки постороннего топлива. Вторичное тепло от охлаждения элементов печи и с охлаждающими газами утилизируется в системе испарительного охлаждения и в котле - утилизаторе с получением пара энергетических показателей.

Минеральная легкая часть расплава (шлак), расположенная в верхней части печи Ванюкова, по своему составу и свойствам пригодна для стройиндустрии (производство шлаковаты, щебня, плиток и др.), а донная металлосодержащая часть является сырьем для металлургических заводов (извлечение в товарный продукт железа, меди, олова, никеля и других ценных продуктов).

Основным преимуществом применения сжигания твердых бытовых отходов в шла­ковом расплаве считается то, что при нем должно происходить полное разложение вредных соединений, полное окисление го­рючих компонентов и крайне малый процент (1 – 2 %) уноса пыли. Главным доказательством этих утверждений служит уве­ренность в том, что высокая температура процесса приведет к разложению любых компонентов, в том числе и таких веществ, как диоксины и фураны [7,8].

Технологическая схема термической переработки ТБО в слое расплавленного шлака приведена на рисунке 4.9 [7].

 

 

1 - склад сырья; 2 - питатель; 3 - плавильный агрегат (печь Ванюкова); 4 - сплав (тяжелая фаза расплава); 5 - шлак (легкая фаза); 6 - котел-утилизатор; 7 - сухой электрофильтр; 8 - дымосос; 9 - мокрый электрофильтр; 10 - мокрый электрофильтр; 11 - дымовая труба

Рисунок 4.9 - Технологическая схема термической переработки ТБО в слое расплавленного шлака

 

Основное мусоросжигательное оборудование завода - это топочные устройства с валковыми решетками и дутьевыми установками и паровые котлы. Дополнительным топливом для розжига, стабилизации горения мусора и поддержания параметров пара является газ. Пар используется как для собственных нужд завода, так и для близлежащих предприятий.

В последнее время специалисты и организации ряда отраслей промышленности и в особенности черной и цветной ме­таллургии в качестве альтернативы слоевому сжи­ганию твердых бытовых отходов предлагают сжигание несортированных отходов в вы­сокотемпературных печах при температуре 1750 - 1900 °С. Следует отметить, что реально действующих предприятий такого типа пока еще нет.

Еще одним примером сжигания ТБО в шлаковом расплаве является способ «ПИРОКСЭЛ», включающий процессы пиролиза и сжигания в шлаковом расплаве. Расположение в общей установке пиролизного реактора по отношению к шла­ковой ванне таково, что под влиянием радиационного высокотем­пературного тепла в пиролизном реакторе, в котором процесс происходит при недостатке кислорода, интенсивно выделяются образовавшиеся диоксины, фураны, другие вредные вещества, а также весьма опасные отравляющие вещества, например, фосген, которые под воздействием естественной тяги проходят в более вы­сокотемпературные зоны установки, где выгорают до оксидов углерода, азота и серы [8].

Представляет интерес разработанная в УкрНИИ техни­ческой экологии технология высокотемпературного электропиролиза (ВТЭП) для твердых бытовых отходов [8]. Аппаратурное оформление технологии ВТЭП базируется на двух стандартных «микродоменных» печах (в качестве реактора и в качестве адсорбера), снабженных элек­тродами для стабилизации в них теплового режима. В схеме, как и во всех схемах термической переработки - паровой котел, дымосос и рукавный фильтр - стандартное оборудование.

Однако, обеспечение высоких температур в шлаковой ванне, или элек­тропечи, или минидомне недостаточно для полного исключения образования диоксинов и фуранов, так как по мере охлаждения отходящих дымовых газов создаются условия для восстанови­тельных реакций и в присутствии остающегося хлора в дымовых газах возможно появление так называемых вторичных диоксинов и фуранов в количествах, близких к 25 % от начального объема. Очевидно, что высокая температура процессов переработки мусора будет вести к увеличению образования таких токсичных соединений, как оксиды азота. Кроме того, высокие температуры приводят к испарению тугоплавких компонентов ТБО, которые при температурах обычного мусоросжигания находятся в твердом и нейтральном состоянии, а при реализации этих процессов будут непосред­ственно выбрасываться в окружающую среду.

Учитывая значительное загрязнение атмосферы дымовыми газами мусоросжигательных предприятий в странах Европейского Союза, Америке, Японии и других развитых странах, в последнее время резко возросли требования к качеству газовых выбросов в атмосферу. Так, в Европе контролирующие органы требуют проводить очистку дымовых газов в четыре ступени [7].

На первой ступени проводится очистка дымовых газов от золы-уноса.

Ориентировочно усредненный фракционный состав золы-уноса мусоросжигательных заводов следующий: частиц менее 5 мкм – 9 - 22 %; частиц от 5 до 10 мкм – 10 - 16 %; частиц от 10 до 20 мкм -13 - 25 %; частиц от 20 до 30 мкм – 6 - 14 %; частиц более 30 мкм - 31 - 54 %. Химический состав золы уноса представлен в основном оксидами кремния (от 30 до 40 %), алюминия (от 15 до 20 %), железа (от 7 до 32 %), кальция (от 9 до 19 %) и др. металлов [7].

На мусоросжигательных предприятиях наибольшее распространение для очистки дымовых газов от золы-уноса получили электростатические фильтры, имеющие высокий КПД очистки газов (в идеальных условиях КПД может достигать величины, равной 99,8 %).

На второй ступени осуществляется очистка дымовых газов от хлорида водорода. Количество хлорида водорода НСl в дымовых газах мусоросжигательных заводов во многом зависит от содержания пластмассы в сжигаемых твердых бытовых отходах. В то же время в последнее десятилетие имеет место значительный рост в составе ТБО различных изделий из пластмассы, в том числе из пластмассы на поливинилхлоридной основе. Учитывая это, в ряде мусоросжигательных заводов Европы для очистки дымовых газов от хлорида водорода используют мокрые скрубберы с дисковыми распылителями и с орошением известковым молоком.

На третьей ступени производится очистка дымовых газов от мельчайших фракции золы-уноса. Для перехвата фракций менее 5 мкм используют тканевые рукавные фильтры. В рукавных фильтрах кроме фракций менее 5 мкм задерживаются и более крупные фракции золы- уноса, проскочившие через электростатические фильтры первой ступени очистки газов [7].

Четвертая ступень - очистка дымовых газов от оксидов углерода и азота. Для снижения содержания оксидов азота (NОх) и оксида углерода в дымовых газах мусоросжигательных предприятий применяют методы каталитической очистки.

В результате сжигания твердых бытовых отходов образуются твердые остатки в виде золы- уноса, золошлаков и включений металлолома. Объем ТБО при сжигании сильно уменьшается, что зависит от состава и плотности ТБО.

Результаты сжигания ТБО при среднем показателе плотности, равном 0,2 т/ м 3, приведены в таблице 4.5 [7].

 

Таблица 4.5 - Средний выход твердых продуктов после сжигания ТБО

 

Отходы сжигания в % по массе в % по объему
Золошлаки 15-20  
Металлолом 2-5  
Зола уноса 5-8  
Всего 27-38  

 

В связи с тем, что в золошлаках мусоросжигательных предприятий часто встречаются частицы недожога органики, а также содержатся растворимые соли тяжелых металлов и другие токсичные включения, их использование в строительной индустрии не рекомендуется. Золошлаки мусоросжигательных предприятий должны удаляться на полигоны ТБО для захоронения или использования для ежесуточного перекрытия слоев ТБО на полигонах.

 

Пиролиз ТБО

 

Сжигание ТБО связано со следующими трудностями:

- необходима сложная и дорогостоящая система очистки дымовых газов, при этом стоимость сооружений и аппаратов газоочистки составляет 75-85 % всех затрат при строительстве мусоросжигательного завода;

- золошлаки после сжигания ТБО содержат недожог, что не позволяет их использовать в строительной индустрии;

- в связи с большим содержанием различных загрязнителей золошлаки требуют такого же захоронения, как и ТБО.

В связи с этим, среди термических способов обеззараживания ТБО в последнее время отдается предпочтение пиролизу, так как этот способ позволяет не просто обеззаразить и ликвидировать ТБО, но и регенерировать энергию и материалы, превратив твердые бытовые отходы в полезные для человека продукты [7,8].

Пиролиз - это термохимический способ переработки ТБО, основанный на разложении веществ, входящих в состав ТБО, при высокой температуре без доступа воздуха или при его недостатке путем неполного окисления воздухом. При пиролизе твердых бытовых отходов образуются газообразные и жидкие продукты, которые могут быть использованы в качестве топлива или химического сырья. Кроме этого, в результате пиролиза ТБО образуется твердый углистый остаток, получивший название пирокарбоната. Выход указанных продуктов (пирокарбоната, пиролизной смолы и пиролизного газа) зависит от состава ТБО, температурного режима, времени пиролиза, давления и др.

В отличие от сжигания ТБО, где основной продукт - это фактически тепловая энергия, пиролиз - это процесс «ожижения» и газификации ТБО. При пиролизе отходов протекают связанные между собой процессы сушки, сухой перегонки (собственно пиролиз), газификации и горения коксового остатка с выделением газообразных продуктов. В отношении ТБО под пиролизом понимается не только необратимое химическое изменение под действием тепла в среде, лишенной свободного кислорода, но и газификация, частичное сжигание при ограниченном подводе воздуха, а также сочетание этих процессов. В результате этого пиролиз твердых бытовых отходов приводит к образованию большой гаммы химических соединений [7,8].

Образовавшаяся парогазовая смесь представляет собой конечный результат ряда последовательно протекающих реакций, из которых одни уже почти закончились, другие находятся в стадии интенсивного протекания, а третьи только начинаются. Каждая отдельная реакция является лишь одним из звеньев в сложной цепи многочисленных химических реакций, продукты одной реакции служат исходными веществами для последующих реакций.

При пиролизе ТБО в обычных условиях можно выделить, в основном, два типа реакций [7]:

- термический распад исходного вещества и дальнейшее разложение
получающихся промежуточных соединений;

- конденсация и полимеризация молекул, образовавшихся в результате первичных реакций деструкции исходного сырья.

Органическая часть твердых бытовых отходов состоит, главным образом, из углерода, водорода и кислорода, кроме того, в ней содержатся в небольших количествах азот, сера и другие элементы. Так как соотношение основных элементов в твердых бытовых отходах соответствует подобному в целлюлозе, то условно формулу органической части ТБО можно обозначить как (C6H10O5)n.

Выходящий из пиролизного аппарата продукт является сложной смесью газообразных, жидких и твердых веществ, состав которых зависит от химической природы сырья и физических параметров нагревания.

На выход продуктов пиролиза твердых бытовых отходов влияет также применение катализаторов, высокого давления, окислительных агентов (кислород, воздух, вода) или восстановительных агентов (водород, оксид углерода). При этом возможны следующие реакции [7]:

C6H10O5 + 0,5O2 → 6CO + 5H2;

тепло

C6H10O5 + H2O → 6CO + 6H2;

давление

C6H10O5 + H2 → нефтепродукты + H2O;

давление

C6H10O5 +12H2 → 6СH4 +5H2O;

давление

C6H10O5 + H2O → нефтепродукты

В процессе пиролиза фактически происходит перераспределение твердой органической (а также углеродсодержащей неорганической) части ТБО в сторону образования жидких углеводородов с более низкой молярной массой (главным образом, смолы) и горючих газов (метан, водород, оксид углерода) по вышеуказанным реакциям.

Полученные в результате пиролиза ТБО компоненты (газообразные и жидкие продукты, см. таблицу 4.6) могут быть использованы в качестве низкокачественных энергоносителей.

Таблица 4.6 – Состав продуктов пиролиза компонентов ТБО [8]

Продукты пиролиза Состав продуктов при пиролизе, %
пластмассы резины дерева, картона текстиля
Газ 18-24 5-10 18-21 19-25
Жидкие (смола) 70-80 45-55 48-53 45-58
Твердые (кокс) 2-6 35-40 26-34 23-30
Состав горючих газов
Метан 74,5 27,3 23,3 25,3
Водород 2,7 35,1 12,3 19,8
Этан + пропан 4,5 16,8 2,9 3,3
Этилен + пропилен 8,5 9,7 1,8 1,1
Диоксид углерода 0,5 3,2 30,8 29,4
Оксид углерода 1,7 1,0 28,4 20,6

Отличие технологии пиролиза ТБО заключается в том, что образующиеся газообразные продукты - пар и топливный горючий газ - можно разделить и использовать в самом процессе термической обработки ТБО или вне его. При этом выброс газообразных продуктов в атмосферу резко снижается. При пиролизе образуются продукты, которые могут найти применение в хозяйственной деятельности: газообразное топливо, твердый углеродистый остаток и смола. В качестве побочного продукта образуется подсмольная вода.

Твердый углеродистый остаток (пирокарбонат), в котором содержание углерода составляет 30 - 40 %, используется как заменитель низкосортных графитов, заполнитель в асфальтобетонных смесях, низкосортное топливо, сорбент. Смола используется как топливо, как составляющая асфальтобетонных смесей, как сырье для извлечения химических соединений. Подсмольная вода применяется как антисептическое средство, в частности для пропитки шпал.

Известны три типа установок по пиролизу ТБО:

1) горизонтальные (барабанного типа),

2) вертикальные (шахтного типа),

3) смешанные.

1 - Установка состоит из двух вращающихся барабанов — сушильного и пиролизного. Сушильный барабан расположен над пиролизным барабаном. Каждый барабан снаб­жен топкой. Некомпостируемые ТБО поступают через загрузочное уст­ройство в сушильный барабан. При вращении отходы продвигаются к концу барабана и одновременно просушиваются (температура ТБО на выходе – 150 °С). Через пересыпное устройство отходы поступают в пиролизный барабан, где осуществляется их прямой нагрев до 500 - 600 °С. Дымовые газы в сушильном барабане движутся прямотоком по отношению к ТБО, в пиролизном барабане - противотоком. Газы, образующиеся в су­шильном барабане и содержащие воду, через систему очистных устройств выбрасываются в атмосферу. Газы из пиролизного барабана подаются в сушильный барабан и сжигаются, выполняя роль дополнительного топ­лива. Перед подачей в сушильный барабан пиролизные газы проходят мокрую очистку, в процессе которой выделяется смола и образуется под­смольная вода. Твердый углеродистый остаток из пиролизного барабана поступает в устройство для охлаждения, а затем в дробильно-фасовочное отделение. Пиролизная установка работает в комплексе с заводом, перерабатывающим ТБО в компост. При этом часть отходов (~30 %) не ком­постируется (резина, кожа, текстиль и др.) и обработка их в пиролизной установке позволяет в максимальной степени решать задачу безот­ходной технологии переработки твердых бытовых отходов.

В стадии разработки находятся пиролизные установки барабанного типа, в которых нагрев отходов в пиролизном барабане осуществляется косвенно (через стенки барабана). Это позволит в процессе пиролиза получать более калорийный газ, не смешанный с дымовыми газами.

На рисунке 4.10 представлен пример технологической схемы пиролизной утилизации ТБО [8].

1 - реактор; 2 - циклон; 3 - бункер-накопитель пирокарбоната; 4 - вентилятор; 5 - камера сжигания пирогаза; 6 - воздухонагреватель; 7 - бункер-накопитель шлака

Рисунок 4.10 - Принципиальная схема установки пиролиза ТБО

Под воздействием собственного веса отходы опускаются через швельшахту в нижнюю часть реактора, куда подается подогретый до 400 °С воздух, который по количеству недостаточен для полного сгорания отходов. Углеродистый остаток от разложения бытового мусора сгорает, а дымовые газы, пройдя систему газоочистки, поступают потребителю (в этом отношении описанный способ аналогичен мусоросжиганию с той лишь разницей, что очистка от пыли не производится из-за образования высокотемпературных газов, для которых обеспыливающие установки неприменимы).

Метод пиролиза ТБО имеет следующие достоинства:

1 - практически безотходная технология, не дающая выбросов в атмосферу твердых илижидких отходов, загрязняющих окружающую среду;

2 - полное обеззараживание ТБО, разрушение и превращение всех токсичных соединений в горючие или инертные соединения;

3 - получение горючих газов, возможность их аккумулирования в газгольдерах и передачи по мере необходимости потребителям;

4 - получение таких полезных продуктов, как пиролизная смола и поликарбонат, которые могут найти применение в строительной индустрии (различные асфальтобетоны), очистке воды и стоков (сорбенты) и др.

К недостаткам существующих пиролизных установок следует отнести малую производительность, несовершенную систему очистки газообразных продуктов, а также нерешенность вопросов полной утилизации продуктов пиролиза. Внедрение пиролизных установок позволит создать безотходные технологии переработки ТБО, в том числе для небольших городов, где строительство крупных мусороперерабатывающих комплексов нерентабельно.

На данный момент накоплено достаточно большое коли­чество опыта эксплуатации установок по пиролизу и газификации ТБО. И если начальная стадия осуществления такого рода программ знаменовалась достаточно оптимистичными и многообещающими результатами, то прошедшие три десятилетия позволили более трезво взглянуть на данную проблему. Так, явно не оправ­дались ожидания того, что данный метод является более экологичным, чем простое мусоросжигание в топках котлоагрегатов. Но основным фактором, свидетельствующим не в пользу пиролиза, является явная коммерческая несостоятельность в настоящее время данного метода перера­ботки ТБО.

 



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-02-12 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: