Горение ТБО - сложный химический процесс, состоящий из элементарных химических реакций окислительно-восстановительного характера. Окислительно-восстановительные реакции процесса горения ТБО и тепловые эффекты, их сопровождающие, приведены в таблице 4.3, при этом тепловые эффекты с положительным знаком свидетельствуют о протекании экзотермической реакции, а с минусом – о протекании эндотермической реакции [4,7].
Таблица 4.3 - Окислительно-восстановительные реакции процесса горения ТБО и тепловые эффекты, их сопровождающие
Реакция | Тепловые эффекты | ||
кДж/кмоль | кДж/кг | кДж/м3 | |
С + O2 = CO2 | - | ||
С + 1/2O2 = CO | - | ||
С + CO2 = 2CO | - 175500 | - 14610 | - |
С + H2O = CO + H2 | - 130500 | - 10860 | - |
С + 2H2O = CO2 + 2H2 | - 132000 | - 10990 | - |
С + 2H2 = СН4 | - 74900 | - 6240 | - |
СO + 1/2O2 = 2CO2 / | - | ||
H2 +1/2O2 = Н2О (жидкость) | - | ||
H2 +1/2O 2 = Н 2О (пар) | - | ||
СН4 + 2O2 = СО2 + 2Н2О (пар) | - | ||
СО + H2O = СO2 + Н2 | - | ||
C2 H 4 + 3O2 = 2СО2 + 2Н2О | - | ||
H2S +1,5 O2 = Н2О + SO2 | - | ||
Н2 + 2С1 = 2НС1 | - | ||
Н2 + 2F = 2HF | - |
Характеристика элементарного состава ТБО может быть отнесена к рабочей, сухой и горючей массам (рисунок 4.7) [4]:
СР + НР + NР + ОР + SР + АР + WР = 100 %,
Сс + Нс + Nc + Ос + Sc + Ас = 100 %,
Сг + Hг + Nг + Ог + Sг = 100 %,
где СР, НР, NР ОР, SР, АР, WР — содержание соответственно углерода, водорода, азота, кислорода, серы, золы и влаги в рабочей массе отходов, а Сс... и Сг... соответствующих элементов в сухой и горючей массе отходов, %.
Рисунок 4.7 – Схема элементного состава и твердого топлива
Для пересчета одних элементов массы отходов в другие используют множители (см. таблицу 4.4).
Таблица 4.4 – Множители для пересчета отдельных компонентов массы отходов [4]
|
Масса | Множитель пересчета на массу | ||
рабочую | сухую | горючую | |
Рабочая | 100/(100- WР) | 100/(100- WР-АР) | |
Сухая | (100-WР)/100 | 100/(100-Ас) | |
Горючая | (100-WР-АР)/100 | (100- Ас)/100 |
Зная морфологический состав отходов и элементарный состав отдельных компонентов, можно определить элементарный состав для всей массы рассматриваемых отходов.
Сжигание ТБО в топочных устройствах котлов-агрегатов является наиболее распространенным во всех странах мира способом термической переработки бытового мусора. Наиболее востребованным с технологической точки зрения является слоевое сжигание бытового мусора в котлах, оборудованных топками с колосниковыми решетками. Данный метод сжигания обладает следующими тремя основными преимуществами [7,8]:
- возможностью сжигания высоко влажных твердых бытовых отходов без их предварительной сушки;
- высокой стабильностью процесса горения в необходимом диапазоне температур;
- возможностью рекуперации тепловой энергии сжигания ТБО.
Все четыре расположенные на территории Украины мусоросжигательные заводы (МСЗ) по крупномасштабному слоевому сжиганию ТБО оборудованы мусоросжигательными котлами с топкой на валковых колосниковых решётках, производства завода Дукла (Чехия) мощностью 15 т/ч по сжиганию ТБО и 40 т/ч по пару. Изношенность оборудования и отсутствие эффективных систем очистки отходящих дымовых газов (они не были закуплены вместе с установками) привело к тому, что на данный момент стабильно работает мусоросжигательный завод «Энергия» (г. Киев). Температура в топочном пространстве поддерживается на уровне 800-1000 °С. Производственная мощность завода - 350 тыс. т/год, но загружен он лишь на 40-50 % мощности [1,7,8].
|
Наиболее положительным примером может служить опыт работы Московского мусоросжигательного завода № 2 (ММСЗ № 2) на Алтуфьевском шоссе (см. рисунок 4.8), где удачно решены как технологические, так и экологические проблемы сжигания ТБО [8].
Завод реконструирован в 1996-1999 г.г. французской фирмой «КNIМ».
Подлежащие сжиганию несортированные твердые бытовые отходы большегрузными мусоровозами (10-тонные, на базе КАМАЗов) привозят на завод и разгружают в большой приемный бункер (при этом обеспечивается трехсуточный запас сырья), откуда грейфером они подаются в печь.
I - пар; II - вода; III - воздух; IV - шлак.
1 - мостовой грейферный кран; 2,3 - мусорный и шлаковый бункеры; 4 - вентилятор первичного воздуха; 5 - станция гидропривода; 6 - паровые калориферы - воздухоподогреватели; 7 - шнек-шлакоизвлекателъ; 8 - транспортеры; 9 - дымосос; 10 - дымовая труба; 11 - электрофильтр; 12 - котел-утилизатор; 13 - вентилятор вторичного воздуха; 14 - загрузочный бункер; 15 - растопочная горелка; 16 - колосниковая решетка
Рисунок 4.8 - Схема Московского мусоросжигательного завода № 2
В приемном отделении поддерживается разрежение за счет забора из него дутьевого воздуха для горения, что способствует предотвращению выброса неприятных запахов и пыли за пределы отделения.
Печь оборудована ступенчато расположенными подвижными колосниками, под которые воздуходувкой подается воздух, необходимый для процесса горения. При необходимости подается небольшое количество природного газа (для «подсветки»). Производительность котла «на входе» - 8,3 т/ч ТБО. Температура сгорания в котле поддерживается близкой к 950 °С, что, с одной стороны, препятствует окислению азота воздуха и увеличению содержания в дымовых газах оксидов азота, а, с другой - приводит к частичному выгоранию диоксинов. Более полное выгорание последних происходит выше 1200 °С, но при этой температуре начинает активно окисляться до оксида азота (II) азот воздуха [8].
|
Процесс горения в мусоросжигательном котле происходит в слое ТБО на колосниковой решетке или в топочной камере. Интенсивность сжигания на колосниковой решетке (производительность установки) в значительной степени зависит от ее конструкции и свойств отходов. Подвижные колосники осуществляют обратно переталкивающее движение, что позволяет подавать 15 - 30 % горящей массы отходов навстречу движущемуся слою отходов, создавая очаги нижнего зажигания. Через 15 мин после пуска установки образуются очаги горения, что позволяет отключить пусковые газовые горелки. Остальная масса отходов (70 - 85 %) за счет шурующего эффекта хорошо перемешивается, что предотвращает от прогаров и оголения отдельных участков полотна колосниковой решетки и ее тепловой перегрузки. Скорость перемещения колосниковой решетки регулируют в соответствии с топливной характеристикой поступающих твердых бытовых отходов [4].
При устройстве топочной камеры мусоросжигательных заводов обычно механизированы три операции: подача ТБО в топку; шуровка (перемешивание) слоя для предотвращения его шлакования и лучшей аэрации; удаление твердых остатков (золы, шлака) после сжигания ТБО. Температура уходящих газов после топочной камеры составляет около 800 оС. Для использования тягодутьевых и пылеулавливающих устройств нужно снизить температуру уходящих газов до 250 - 300 °С. На современных мусоросжигательных заводах это условие выполняется путем теплообмена в парогенераторе. Для этого используют котлы-утилизаторы, применение которых позволяет решить три проблемы [4,7,8]:
- снизить температуру дымовых газов с 800-1000 до 250-350 оС;
- предохранить внутреннюю футеровку топочных камер от воздействия высоких температур;
- утилизировать тепло дымовых газов.
Температура в топочном пространстве регулируется автоматически и составляет 800 – 1000 °С, при которой обеспечивается выгорание твердых и газообразных горючих составляющих отходов.
В мусоросжигательную печь встроен паровой котел, пар из которого (30 т/ч) подается на турбину электрогенератора. После турбины пар отдает остаточное тепло в теплообменнике-утилизаторе.
В технологическую линию встроена многоступенчатая система очистки дымовых газов, состоящая из [8]:
а) реактора, в который подается «известковое молоко» и тонкоизмельченный активированный уголь. При этом в объеме реактора при высоких температурах протекают каталитические реакции связывания токсичных газов в твердые малорастворимые соли:
Са(ОН)2 + 2НF = СаF2(тв) + 2Н2O
Са(ОН)2 + 2НС1 = СаСl2(тв) + 2Н2O
Са(ОН)2 + Н2 SO4 = СаSO4(тв) + 2Н2O.
Активированный уголь служит в качестве как катализатора вышеприведенных реакций, так и адсорбента других токсичных газов (оксида углерода, диоксинов, фуранов). Здесь уместно отметить, что наиболее токсичные диоксины, такие как 2, 3, 7, 8-тетрахлордибензо-фуран и др. хорошо адсорбируются твердыми сорбентами типа активированного угля;
б) реактора-испарителя, в который подается 40 %-ный раствор карбамида для трансформации оксида азота:
2СО(NН2)2 + 4NО = 4N2 + 2СО2 + 2Н2O.
Затем дымовые газы очищаются от твердых частиц в батарейном рукавном фильтре и дымососом выбрасываются в атмосферу через специальную «трехствольную» (для облегчения контроля за выбросами) дымовую трубу высотой 50 м. Для этого на ММСЗ № 2 установлена автоматизированная система, которая управляет процессами горения и очистки при осуществлении полного экологического мониторинга.
Данная система глубокой очистки обеспечивает показатели по остаточному содержанию токсичных газов и пыли в отходящих газах, соответствующие наиболее жестким вышеуказанным европейским нормативам.
Поскольку твердые бытовые отходы перед сжиганием на ММСЗ № 2 не подвергаются сортировке, при их сжигании образуется до 25 % шлака от массы ТБО, который удаляется из печи шлаковыталкивателем; к нему добавляется летучая зола из рукавного фильтра. Эта золошлаковая смесь реализуется заводам, производящим строительные материалы.
ММСЗ № 2 имеет две вышеописанные технологические линии. Их суммарные годовые параметры [8]:
- масса сжигаемых ТБО - 130 тыс. т (5 % потребностей г. Москвы);
- количество вырабатываемой электроэнергии - 19,5 млн. кВт;
- масса золошлаков - 29 тыс. т;
- экономия «условной» площади на полигоне ТБО - 3,5 га.
Наиболее проблемные показатели ММСЗ № 2 - это экономические показатели. Проблема состоит в том, что себестоимость сжигания 1 т ТБО на ММСЗ № 2 составляет $40, поэтому завод работает с учетом существенной дотации заводу от Правительства Москвы. Следует отметить, что сжигание 1 тонны ТБО, например, в Германии обходится намного дороже - $130 при складировании этой же тонны на полигоне - лишь $60.