Слоевое или камерное сжигание ТБО

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

Характеристика элементарного состава ТБО может быть отнесена к рабочей, сухой и горючей массам (рисунок 4.7) [4]:

С^Р + Н^Р + N^Р + О^Р + S^Р + А^Р + W^Р = 100 %,

С^с + Н^с + N^c + О^с + S^c + А^с = 100 %,

С^г + H^г + N^г + О^г + S^г = 100 %,

где С^Р, Н^Р, N^Р О^Р, S^Р, А^Р, W^Р — содержание соответственно углеро­да, водорода, азота, кислорода, серы, золы и влаги в рабочей мас­се отходов, а С^с... и С^г... 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]

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.