Термические методы переработки ТБО при температурах ниже температуры плавления шлака

Глава 20. Термические методы переработки ТБО

 

Классификация методов

 

Термическую переработку и утилизацию ТБО можно произво­дить методами слоевого сжигания исходных (неподготовленных) от­ходов в мусоросжигательных котлоагрегатах (МСК); слоевого или камерного сжигания специально подготовленных отходов (освобож­денных от балластных фракций) совместно с природным топливом в энергетических котлах или в цементных печах; пиролизом отхо­дов, прошедших предварительную подготовку или не подвергшихся таковой.

В зависимости от температуры процесса все методы термичес­кой переработки ТБО, нашедшие промышленное применение или прошедшие опытную апробацию, можно разделить на две большие группы: процессы переработки при температурах ниже температуры плавления шлака и процессы переработки при температурах выше температуры плавления шлака. В свою очередь, по принципиально­му характеру процесса каждую из этих групп подразделяют на три подгруппы, которые классифицируют по процессам переработки от­ходов (табл. IV. 9).

Основными факторами, влияющими на выбор термической тех­нологии, являются допустимая производительность оборудования, капитальные и эксплуатационные затраты, надежность и эффектив­ность работы, возможность автоматизации и уменьшения выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду.

 

Таблица IV.9. Классификация методов термической переработки ТБО*

 

Температурный уровень процесса	Принципиаль­ный характер процесса	Процесс переработки
1. Терми­ческие процессы при темпе­ратурах ниже тем­пературы плавления шлака	1. Слоевое сжигание с принуди­тельным пере­мешиванием ма­териала	- на переталкивающих решетках - на валковых решетках - во вращающихся барабанных печах
2. Сжигание в кипящем слое 3. Сжигание-газификация в плотном слое кускового материала без прину­дительного пе­ремешивания и перемещения материала	- в стационарном кипящем слое - в вихревом кипящем слое - в циркулирующем кипящем слое Паровоздушная газификация (процесс института химической физики РАН в Черноголовке)
2. Терми­ческие процессы при темпе­ратурах выше температуры плавления шлака	1. Сжигание в слое шлакового расплава	- с использованием обогащенного кислородом дутья (процесс Ванюкова) - с использованием в качестве дутья природного газа (фьюминг-процесе) - с использованием электрошлакового расплава
2. Сжигание в плотном слое кускового мате­риала и шлако­вом расплаве без принудительного перемешивания и перемещения материала	Доменный процесс (с использованием подогрето­го до 100°С воздуха)
3. Комбиниро­ванные процессы	- процесс «Simens» (пиролиз-сжигание пирогаза и отсепарированного углеродного остатка с ис­пользованием необогащенного дутья) - процесс «Noell» (пиролиз-газификация: получение синтез-газа при совместной термооб­работке пирогаза, отсепарированного от металлов углеродистого остатка и минеральных компонентов с использованиемобогащен ного кислородом дутья) - процесс «Thermoselect» (пиролиз-газификация: получение синтез-газа при совместной термооб­работке пирогаза, углеродистого остатка и мине­ральной фракции с использованием обогащенно­го кислородом дутья)

 

*Имеются и более сложные классификации методов термической перера­ботки ТБО.

 

 

Термические методы переработки ТБО при температурах ниже температуры плавления шлака

 

Термические методы переработки ТБО при температурах ниже температуры плавления шлака, то есть при температурах менее 1300°С, применяют наиболее часто. Наиболее распространенные в практике процессы — слоевое сжигание и сжигание в кипящем слое — требуют принудительного перемешивания и перемещения материа­ла. Находящийся в стадии разработки весьма перспективный про­цесс сжигания-газификации отходов в плотном слое реализуется без принудительного перемешивания и перемещения материала.

Слоевое сжигание неподготовленных ТБО в топках мусоро­сжигательных котлоагрегатов. При таком способе обезвреживания сжиганию подвергают все поступающие на завод отходы без какой-либо их предварительной подготовки или обработки.

Метод слоевого сжигания является наиболее распространенным и изученным. Он позволяет значительно экономить земельные пло­щади по сравнению с таковыми, отводимыми под полигоны. При этом методе помимо целей обезвреживания отходов возможно полу­чение тепловой и электрической энергии, сокращение до минимума расстояния между местом сбора ТБО и мусоросжигательным заво­дом (МСЗ). Однако наряду с этими положительными показателями, сжигание отходов сопровождается образованием дымов, содержащих различные загрязняющие атмосферу вещества. В этой связи все современные МСЗ оборудованы высокоэффективными устройствами для очистки отходящих газов (дымов) от твердых и газообразных загрязняющих веществ со стоимостью, достигающей 30% общих капзатрат на строительство МСЗ. За рубежом в ряде стран, где ли­мит земельных площадей представляет особо острую проблему, мусоросжигание нашло самое широкое распространение.

Изучение процесса горения ТБО в мусоросжигательных котлоагрегатах показало, что он протекает в две стадии: в твердой фазе (на колосниковой решетке) и в объеме топочного пространства. Колос­никовая решетка является одним из важнейших элементов мусоросжигающей камеры (МСК). Наряду с механизацией процесса сжи­гания большое значение имеет шурующая способность колоснико­вой решетки, которая обеспечивает расшлаковку спекающихся час­тей слоя горящих отходов и их аэрацию. К колосниковым решеткам МСК предъявляются требования надежной работы при загрузке не­подготовленными отходами с постоянно меняющимся морфологи­ческим и фракционным составами; возможности эксплуатации при температуре в топочном объеме выше 800°С, приводящей к тепло­вой деструкции наиболее трудно разлагаемых и горящих компонен­тов отходов, минимального содержания органических составляющих (недожога) в остатках сжигания и стерильности их после сжигания; обеспечения максимально возможного КПД топки, чтобы требуемая температура в ней достигалась без сжигания дополнительного топ­лива и обеспечивалась высокая эффективности всего агрегата (если на установке тепло уходящих газов утилизируется); поступления минимального количества летучей золы в уходящие дымовые газы; нечувствительности к легкоплавким металлическим составляющим (олово консервных банок, отходы из алюминия и т.п.); эффективно­сти сушки отходов в первой зоне решетки; разделения топочного процесса на отдельные зоны (сушки, воспламенения, горения и до­жигания) при необязательном конструктивном разделении колосни­ковой решетки на эти функциональные участки; исключения ручно­го труда (подача отходов в топку, шуровка, золоудаление и т.п.).

Для реализации перечисленных требований имеется несколько видов колосниковых решеток. Конкурентоспособными являются три типа решеток: поступательно переталкивающие, обратно переталки­вающие и решетки валкового типа.

Все колосниковые решетки устанавливают в топках, представля­ющих собой камеры сгорания, куда подают отходы и дутьевой воз­дух в качестве окислителя органических веществ. Эффективность сжигания отходов во многом зависит от комбинационных конструк­тивных решений топки и колосниковой решетки. Можно отметить три принципиальных варианта конструктивного решения системы топка-решетка (рис. IV-11):

система с прямым потоком газов в топочном пространстве, опти­мальная для сжигания сухих отходов с высокой теплотворной спо­собностью — 2800-3000 ккал/кг; наиболее горячая зона характерна для нижней части решетки, поэтому⁷ влажные отходы в начале ре­шетки плохо подсушиваются (рис. IV-11 а);

система с обратным по отношению к перемещаемому материалу потоком газов, оптимальная для сжигания влажных отходов с низ­кой теплотворной способностью — около 1700 ккал/кг (рис. IV-11 б);

система со средним потоком газов (компромиссный вариант), оптимальная для сжигания отходов переменных состава и влажнос­ти (рис. IV-11 в).

Переталкивающие решетки как с прямой, так и с обратной пода­чей материала представляют собой системы, состоящие из подвиж­ных и неподвижных колосников для перемещения и перемешивания отходов. Колосниковые решетки с прямой подачей (поступательно-переталкивающие решетки) имеют малый угол наклона (6-12,5°) и переталкивают материал в сторону выгрузки шлака (в направлении перемещения материала).

Экспериментально подобранный угол наклона решетки, равный 12,5°, обеспечивает как хорошее рыхление материала, так и надеж­ное управление движением потока. Для перевала отходов с целью их рыхления предусматривается одна или две ступени по длине колосниковой решетки (в зависимости от числа секций). Высота рыхля­щих перепадов небольшая и не приводит к повышенному выбросу пыли. Торцовые поверхности перепадов решетки охлаждаются.

Рис. IV-11. Устройство топочной ка­меры: а — прямоточная система; б — противоточная система; е — комбиниро­ванная система

 

Преимуществами колосниковой решетки являются простота кон­струкции; возможность регулирования движения каждой секции ре­шетки независимо от других секций (как следствие - оптимальное регулирование толщины слоя отходов и времени их пребывания на решетке); позонное регулирование подачи первичного воздуха в каж­дой секции решетки (каждая секция решетки имеет свою собствен­ную зону ввода дутья, что весьма важно для сжигания ТБО перемен­ного состава); равномерная стабильная подача первичного воздуха через щели между колосниками по площади решетки, что обеспечи­вает спокойное сжигание с незначительным пылевыносом (подача воздуха не зависит от положения колосника и его движения); отно­сительно невысокие эксплуатационные расходы и простота обслу­живания (замена отдельных колосников производится одним чело­веком без специального инструмента); минимальный провал мате­риала между колосниками (зазор 1,5 мм). В последнее время нашли применение водоохлаждаемые колосниковые элементы, использование которых значительно уменьшает износ покрытия решетки в зоне основного горения и повышает срок ее эксплуатации.

Колосниковые решетки с обратной подачей (обратно-переталкивающие решетки) имеют большой угол наклона (обычно 21-25°) и переталкивают материал (нижний слой отходов) в сторону, противо­положную выгрузке шлака и перемещению отходов. При этом часть горящего слоя отходов возвращается к началу решетки, что интенси­фицирует процесс горения.

Принципиальные схемы колосниковых решеток приведены на рис. IV-12.

Переталкивающие колосниковые решетки обеспечивают движе­ние ТБО вдоль решеток. На этой системе удается получить хороший эффект шуровки при интенсивном переворачивании отдельных час­тиц отходов, что предотвращает кратерное горение, несмотря на неоднородность отдельных фракций (различная интенсивность го­рения отдельных фракций). В результате перемешивания быстро и медленно горящих частей отходов достигается сравнительно равно­мерное их выгорание. Этот эффект еще больше повышается путем установки последовательно нескольких ступеней наклонно перетал­кивающих решеток - каскада (рис. IV - 12 a). Однако наряду с интен­сификацией процесса сжигания отходов при их падении с одной ре­шетки на другую возрастает вынос твердых частиц, что приводит к увеличению уноса из топки, следовательно, требует более эффектив­ной системы газоочистки.

Другим примером конструкции топки с шурующим эффектом является обратно переталкивающая колосниковая решетка (рис. IV-12 г), на которой сжигание происходит более интенсивно, чем на обыч­ной переталкивающей решетке. Большая эффективность достигает­ся за счет нижнего воспламенения отходов. Полотно колосниковой решетки имеет наклон в сторону выгрузки шлака, и отходы под дей­ствием силы тяжести сползают по ней вниз. Решетка состоит из по­очередно расположенных неподвижных и подвижных ступеней ко­лосников. Движение подвижных ступеней происходит навстречу сползающему слою отходов, и горящие части отходов, попадая под слой отходов, создают очаги нижнего зажигания.

На установках малой и средней производительности применяют системы с опрокидывающими колосниками (рис. IV-12 б). Выпол­ненные в виде сегментов колосники решетки объединены в группы, каждый второй ряд периодически опрокидывает горящие отходы, что создает весьма эффективную шуровку. Использование этой системы особенно оправдано при сжигании целлюлозосодержащих отходов (бумага, древесина и т. д.). Подобная система создана в США (систе­ма Никольс), где содержание целлюлозосодержащих отходов в ТБО особенно велико.

К недостаткам перечисленных конструкций (переталкивающих, обратно переталкивающих, с опрокидывающими колосниками) от­носят сложность их кинематических схем, а также работу колосни­ков в условиях высоких температур, что требует изготовления их из высоколегированных сталей или чугуна.

К колосниковым решеткам с шурующим эффектом относятся так­же несколько последовательно включенных ступеней решеток, рас­положенных в виде каскада. Успешная шуровка обеспечивается при падении материала с одной ступени на другую или при перемеще­нии с одного валка на другой.

 

 

Рис. IV—12. Принципиальные схемы колосниковых решеток: а — каскад на­клонно переталкивающих решеток; б — опрокидывающая; в — валковая; г — обратно переталкивающая; д — каскад цепных решеток; е — наклонно перетал­кивающая решетка с дожигающим барабаном

 

Одним из вариантов каскадных колосниковых решеток является система цепных механических колосниковых решеток (рис. IV - 12 д). Слой материала, находящийся на полотне решетки, с постоянной скоростью перемещается через топочное пространство. Отходы, име­ющие разные свойства, сгорают неравномерно, создавая кратерное горение. Дутьевой воздух проходит через такие кратеры в больших количествах, в связи с чем на других участках полотна решетки, по­крытых несгоревшими отходами, не хватает окислителя. Это являет­ся основным недостатком системы из двух цепных решеток (наклон­ной и горизонтальной), а в странах Западной Европы — из 3-4 ре­шеток (каскад). При пересыпании отходов с решетки на решетку слой отходов выравнивается. Однако каскадное расположение решеток при падении отходов с решетки на решетку приводит к повышенному пылению сжигаемых материалов, что увеличивает содержание твер­дых частиц (золы, недожога) в дымовых газах.

На валковых колосниковых решетках отходы перемещаются за счет вращения отдельных валков, и в момент перехода их с одного валка на другой происходит шуровка отходов (рис. IV-12 в).

Колосниковые решетки устанавливают в топках, стенки которых экранированы испарительными поверхностями - вертикальными рядами труб, по которым циркулируют вода и пар (вода в трубах закипает, когда их обтекают восходящие горячие газы). Ряды труб в определенной степени являются дополнительным изоляционным слоем (наряду с шамотом), что оптимизирует рекуперацию тепла и несколько упрощает запуск оборудования после остановки. Камеру сжигания и нижнюю часть первого хода котла обмуровывают набив­ной массой.

Сопла подачи вторичного воздуха располагают у выхода из ка­меры сжигания. Интенсивной подачей через них воздуха обеспечи­вают качественное его перемешивание с топочными (дымовыми) га­зами и тем самым хорошее выгорание вредных газообразных веществ.

В газоходах котлоагрегата последовательно устанавливают состо­ящий из стальных труб пароперегреватель (элемент парового котла, повышающий температуру пара сверх температуры насыщения) и экономайзер (теплообменник) для предварительного подогрева, пи­тающей котел воды за счет тепла выходящих газов. В зависимости от конкретных условий проектируют котлоагрегаты (бойлеры) гори­зонтального или вертикального типа. Последние более компактны и занимают меньшую площадь. Поверхности конвективного нагрева располагают либо в вертикальном ходе дымовых газов (в этом слу­чае для очистки горизонтально расположенных в нем пучков труб устанавливают обдувочные аппараты, что приводит к увеличению объема отходящих газов), либо в горизонтальном ходе (свободно ви­сящие пучки труб очищают с помощью ударного механизма).

На ряде МСЗ часть первичного дутьевого воздуха подают под колосниковую решетку, другую — сверху на слой ТБО. В зависимос­ти от теплоты сгорания и длины пламени производится перераспределение воздушных потоков: при низкой теплоте сгорания отходов пламя растягивается по длине колосниковой решетки и значительная часть первичного дутья подается в середине и конце последней. Расход воздуха на первичное дутье составляет 60-70% от его общего расхо­да. Вторичное дутье ведут, как указано выше, через сопла у входа в первую тягу котла. Взамен вторичного воздуха возможна подача очи­щенных от взвешенных и имеющих температуру около 200°С дымо­вых газов (особенно при сжигании высококалорийных отходов). Использование отработанных дымовых газов снижает содержание кислорода без превышения концентрации СО и уменьшает количе­ство отходящих газов, подлежащих очистке.

Гибкая система подачи дутьевого воздуха (и частичная рецирку­ляция дымовых газов) предохраняет стенки топки от перегрева и автоматически перестраивается под качество сжигаемого материа­ла. Автоматическая система регулирования обеспечивает поддержа­ние на заданном уровне количества производимого пара и высоты пламени по всему сечению колосниковой решетки (факел контроли­руют при помощи малоинерционных оптических датчиков).

В топках с обратно переталкивающими решетками (например, системы фирмы "Martin") по длине решетка разделяется на 3-6 сек­ций для подачи дутьевого воздуха. Первичный воздух подают в топ­ку через узкие щели в головной части колосников. Вторичное дутье осуществляют через переднюю и заднюю стенки топки, причем воз­дух подают в пространство над слоем горящих отходов. После ввода вторичного воздуха отходящие газы, сжигаемые при температуре 1000-1200°С, остаются в печи более 2 секунд при температуре 850°С, что достаточно для разрушения органических соединений (в том числе опасных) до безвредных и нейтральных.

Горение отходов начинается в начале решетки и стабилизируется при 1000°С во второй ее половине. В конце решетки расположен мед­ленно вращающийся вал, регулирующий высоту слоя сжигаемых отходов и транспортирующий шлак в шлаковую ванну.

Угол наклона обратно переталкивающей решетки является дос­таточно большим и составляет около 25° в сторону перемещения ма­териала и разгрузки шлака. Каждая секция решетки, приводимая в движение от одного гидроцилиндра, состоит из чередующихся слоев подвижных и неподвижных колосников, изготовленных из жаропроч­ной хромистой стали, состав которой разработан фирмой "Martin". Боковые поверхности колосников отшлифованы и с помощью спе­циального устройства прижимаются друг кдругу, образуя монолит­ное полотно (узкие щели для подачи первичного воздуха предусмот­рены в головной части как подвижных, так и неподвижных колосни­ков). Подвижные колосники оказывают на перемещающийся в сто­рону разгрузки шлака материал обратно переталкивающее действие, что позволяет подавать 15-20% горящей массы отходов навстречу движущемуся слою, создавая очаги нижнего зажигания. Срок служ­бы колосников — 5-6 лет.

Слоевое сжигание ТБО в топке с наклонно переталкиваю­щей решеткой. На рис. IV-13 представлена принципиальная схема завода, на котором реализовано слоевое сжигание ТБО в топкес на­клонно переталкивающей решеткой.

Как видно из рисунка, исходные ТБО доставляют мусоровозами в приемное отделение и загружают в углубленный бункер прямоу­гольного сечения, обслуживаемый грейферным краном (обычно ус­танавливают два крана). Назначение грейферного крана — подача отходов из бункера на сжигание, удаление так называемых негаба­ритов (холодильники, матрацы и т. п.) и усреднение отходов (после­днее крайне неэффективно, так как исходные ТБО по своему составу и свойствам мало пригодны для усреднения).

 

 

Рис. IV-l 3. Слоевое сжигание ТБО в топке с наклонопереталкивающей решеткой: 1 — приемное отделение; 2 — бункер исходных ТБО; 3 — грейферный кран; 4 — загрузочная воронка; 5 — толкатель; 6 — наклоннопереталкивающая решетка; 7 — дутьевой вентилятор; 8 — система шлакоудаления; 9 — бункер шлака; 10 — грейферный кран; 11 — когел-утилизатор отходящего тепла; 12, 13 — система газоочистки; 14 — дымосос; 15 — труба; 16 — турбогенератор

 

Независимо от типа устанавливаемой в топке решетки ТБО из бункера подают в загрузочную воронку (рис. IV-14), которая отделя­ет камеру сгорания от окружающей среды (в этой воронке и ниже ее образуется своеобразный затвор из подпрессованных отходов, пре­пятствующий неорганизованному поступлению воздуха в топку). На нижней части приемной воронки фиксировано запорное устройство — заслонка (рис. IV-15), которая автоматически закрывается в случае аварии, выполняя функцию защитного приспособления. Из прием­ной воронки ТБО направляют в топку на колосниковую решетку обыч­но с помощью гидравлического толкателя.

Рис. IV-14. Общий вид устройства загрузки ТБО в топку: 1 — загрузоч­ная воронка; 2 — запорное устройство (клапан); 3 — зонд контроля уровня заг­рузки; 4 — шахта подачи мусора; 5 — устройство регулируемой подачи мусора

 

Рис. IV-15. Схема двухлепесткового клапана (затвор типа "мигалка") ус­тройства загрузки ТБО в топку

 

Температура сжигания отходов составляет 850-1000°С. В конце колосниковой решетки шлак через охлаждаемую водой шахту попадает в гидрошлакоудалитель с толкательным устройством (рис. IV-16). Под колосниковой решеткой по всей ее длине установлено скребковое устройство для сбора просыпи между колосниками (рис. IV-17). Водяной затвор в золоудалителе предотвращает неор­ганизованное поступление возду­ха в топку и отделяет воронки для нижнего дутья друг от друга.

Рис. IV-16. Толкательное устрой­ство с гидроприводом системы шлако- золоудаления

 

При утилизации тепла отходя­щих газов на мусоросжигатель­ных заводах возможно получение как электрической, так и тепловой энергии. Паропроизводительность парогенераторов мусоро­сжигательных установок в 3-4 раза ниже по сравнению с энергети­ческими установками, работающими на ископаемом топливе (как следствие относительно низкой теплотворной способности отходов). На рис. IV-18 представлена типичная диаграмма сжигания ТБО в топке с колосниковой решеткой. Из рисунка видно, что вырабаты­ваемая тепловая мощность (Мвт) зависит от производительности печи по твердому топливу (т/час ТБО) и калорийного потенциала отходов (ккал/кг). При сжигании отходов с теплотворной способно­стью менее 2000 ккал/кг требует­ся подача дополнительного тепла (дополнительный расход при­родного газа). Области ста­бильной работы печи (автоген­ный процесс) соответствует теплотворная способность от­ходов в пределах 2000-3100 ккал/кг. При неизменной выра­батываемой тепловой мощности повышение теплотворной способности приводит к снижению про­изводительности установки по ТБО. Оптимальной представляется теплотворная способность отходов 2800 ккал/кг = 11800 кДж/кг (ве­личина, характерная для отсортированной горючей фракции ТБО): в этом случае максимально вырабатываемой тепловой мощности со­ответствует максимальная производительность по количеству сжи­гаемых отходов. В случае пониженной теплотворной способности сжигаемых отходов уменьшается производство пара (увеличение потока отходов обусловливает увеличение недожога).

Рис. IV-18. Диаграмма сжигания в топке с колосниковой решеткой

 

Слоевое сжигание ТБО на валковых решетках используют в про­мышленной практике достаточно широко: в 1995 г. в различных стра­нах эксплуатировалось более 250 топок с валковыми решетками.

При использовании топок с валковыми решетками, заимствован­ными из практики сжигания угля, материал перемещается с помо­щью вращающихся валков (барабанов). Наиболее часто используют шестивалковые решетки. В германской практике мусоросжигания встречаются семивалковые решетки. Угол наклона решетки — до 40°, диаметр валков — до 1,5 м, дли­навалков до 6 м. Температура сжигания — 900-1000°С. Вре­мя нахождения отходов в печи— около 30 минут.

Привод каждого валка уста­новлен вне топочной камеры; все части, подлежащие смазке, доступны во время эксплуата­ции печи.

На рис. IV-19 представлен общий вид завода, на котором ре­ализовано слоевое сжигание ТБО в топке с валковой решеткой. Основ­ными недостатками работы таких заводов являются низкая эффектив­ность и отрицательное экологическое влияние (процесс сжигания плохо стабилизируется, оптимальная температура зачастую не достигается, велик выход недожога, низкое качество шлака, значительные потери черных металлов, эксплуатационные осложнения при попадании в печь бордюрного камня и больших количеств металла, сложность организа­ции эффективной газоочистки при нестабильном горении отходов и др.). Эти недостатки особенно проявляются при отсутствии раздельного сбо­ра и рациональной технологии вывоза ТБО, что имеет место в нашей стране. Как видно из рис. IV-19, в традиционной топке с валковой решеткой реализован центральный отвод дымовых газов из топочного про­странства. При этом, по данным практики, температура над последним валком составляет всего 500-600°С, что предопределяет повышенное содержание в шлаке недожога.

В настоящее время создана топка с валковой решеткой второго поколения (рис. IV-20). Новая геометрия топочного пространства и дутьевой режим обеспечивают стабилизацию горения, увеличение времени пребывания газов в печи, турбулизацию газового потока и его интенсивное перемешивание с воздухом. Все это позволяет реа­лизовать сжигание ТБО в оптимальных условиях.

В новой конструкции печи под сводом топочного пространства образуются вихревые потоки, увеличивающие продолжительность пребывания газов в топке при высокой температуре и степень выгорания вредных газовых компонентов и твердых частиц. Первичное дутье (возможен подогрев первичного воздуха до 220°С) подают, как обычно, снизу. Вторичное дутье пода­ют сверху под свод топочно­го пространства в основную зону горения, что приводит к снижению образования оксидов азота на 50%; подача дутья для дожигания га­зов на выходе из топки не требуется. Геометрия печи обеспечивает также высокую температуру шлака до его выпуска (температура над последним валком решетки составляет 1000°С). Суммарный расход дутьевого воздуха заметно снижен. Оптимальное управление про­цессом, связанное с автоматическим регулированием воздухораспределения, скорости вращения валков и количества подаваемого мате­риала, позволяет достаточно эффективно сжигать отходы переменного состава.

 

Рис. IV-19. Слоевое сжигание ТБО в топке с валковой решеткой: 1 — приемное отделение; 2 — бункер исходных ТБО; 3 — грейферный кран; 4 — загрузочная воронка; 5 — толкатель; 6 — валковая решетка; 7 — система шлакоудаления; 8 — бункер шлака; 9 — грейферный кран; 10 — котел-утилизатор отходящего тепла; 11 — электрофильтр; 12 — вытяжной вентилятор; 13 — система газоочистки; 14 — труба; 15 — турбогенератор; 16 — пульт управления; 17 — резервный котел

 

 

Рис. IV-20. Общий вид усовер­шенствованной топки с валко­выми решетками (конструкции фирмы "Deutsche Babcock"): 1 — загрузка отходов; 2 — валковая ре­шетка; 3 — топочная камера; 4 — подача первичного дутья; 5 — по­дача вторичного дутья; 6 — горел­ка; 7 — зона дожигания; 8 — сис­тема шлакоудаления

 

Представляет интерес технологическая оценка различных мето­дов слоевого сжигания ТБО в топках с переталкивающими решетка­ми, тенденций практического применения этих методов, а также оцен­ка возможностей реализации оптимальных технологий в российс­ких условиях. В этой связи следует отметить, что отечественные ТБО характеризуются повышенной влажностью, а для термической обра­ботки влажных отходов наиболее подходят топочные устройства фирмы «Martin».

Сжигание в барабанных вращающихся печах. Барабанные вра­щающиеся печи для сжигания исходных (неподготовленных) ТБО применяют очень редко, чаще эти печи используют для сжигания специфичных (например, больничных) отходов, а также жидких и пастообразных промышленных отходов, обладающих абразивным действием.

На рис. IV-21 представлен общий вид завода, на котором реали­зовано слоевое сжигание отходов в барабанной вращающейся печи.

Барабанные печи устанавливают с небольшим наклоном в на­правлении движения отходов. Скорость вращения печи — от 0,05 до 2 об./мин. Со стороны загрузки подают отходы, воздух и топливо, шлак и золу выгружают с противоположного конца печи. В первой части печи отходы подсушиваются (400°С), далее происходят их га­зификация и сжигание (обычно при 900-1000°С).

При сжигании отходов в барабанных печах в принципе можно достичь и более высоких температур горения, но высокотемператур­ное сжигание ТБО приводит к быстрому износу достаточно тонкой футеровки в печах этого типа (раз в полгода требуется замена внут­ренней футеровки печи — операция трудоемкая, сложная и дорогая, ее стоимость составляет около 10 % стоимости самой печи). Для по­вышения долговечности печи иногда вместо футеровки применяют водяное охлаждение стенки барабана или устраивают охлаждение футеровки печи. Производительность барабанных печей составляет до 10 т/час (чаще 1-5 т/час).

 

 

Рис. IV-21. Слоевое сжигание отходов во вращающейся барабанной печи: 1 — загрузочная воронка; 2 — толкатель; 3 — вращающаяся барабанная печь; 4 — дожигательная камера; 5 — система шлако- и золоудаления; 6 — конвейер летучей золы; 7 — котел-утилизатор отходящего тепла; 8 — электрофильтр; 9 — дымосос; 10— система газоочистки; 11 — труба

 

Барабанные печи используют в технологии «Пироксэл», реализующей трехстадийную термическую обработку отходов: сушку до содержания влаги 20%; сжигание (либо пиролиз+сжигание) при тем­пературе 900°С и электрошлаковую обработку остатков сжигания при 1400-1500°С. Данная технология, названная пиролизно-мегаллургической переработкой, прошла достаточно длительные испытания на крупномасштабной опытной установке. Согласно одному из вариан­тов этой технологии ее первые две стадии осуществляют во вращаю­щихся барабанах (рис. IV-22). В зону сушки подают горячие дымо­вые газы после их реагентной очистки, а в зону горения — подогре­тый до 400°С дутьевой воздух. Образующийся шлак и дымовые газы поступают в электроплавильную печь.

 

Рис. IV-22. Схема переработки отходов по технологии "Пироксэл": 1 —заг­рузочное устройство; 2,4 — барабанные печи; 3 — промежуточная камера; 5 — электропечь для плавки шлака; 6 — камера дожигания отходящих газов; 7, 8 — реагентная очистка газов; 9 — реагентная станция; 10 — котел-утилизатор; 11 — рукавный фильтр; 12 — труба; 13 —дымосос; 14 — подача первичного дутья

 

Существенными недостатками данной технологии являются прак­тически полная потеря металлов (выделяемый в ванне электропечи в виде донной фазы металлосодержащий продукт неизвестного соста­ва получают после периодического слива струи расплава на поверх­ность вращающегося барабана в форме тонкого скрапа, не имеет сколь либо значительных рынков сбыта), повышенный переход в газовую фазу при 1500°С опасных металлов (цинка, кадмия, ртути, свинца, олова и других) вследствие поступления в электропечь всех метал­лов, содержащихся в не подвергнутых предварительной сортировке исходных ТБО, а также высокие эксплуатационные расходы.

В практике мусоросжигания барабанные печи ранее часто использовали с целью дожигания продуктов сжигания ТБО на колоснико­вых решетках. Такие барабаны используют более чем на 70 заводах по сжиганию ТБО. На этих заводах вращающиеся со скоростью 12 об/мин, барабанные печи установлены за каскадами наклонно пе­реталкивающих колосниковых решеток. Помимо дожигания несгоревшей части ТБО, в барабанных печах происходит дробление обра­зующегося при сжигании ТБО шлака, который с помощью системы шлакоудаления подают на пластинчатый конвейер и далее направля­ют в шлаковое отделение.

Сжигание в печах кипящего слоя. Сжигание в кипящем слое осуществляют за счет создания двухфазной псевдогомогенной сис­темы "твердое-газ" путем превращения слоя отходов в "псевдожид­кость" под действием динамического напора восходящего потока газа, достаточного для поддержания твердых частиц во взвешенном со­стоянии. Слой напоминает кипящую жидкость, и его поведение под­чиняется законам гидростатики.

Технология сжигания ТБО в кипящем слое впервые реализована в начале 80-х годов в Японии. К середине 90-х годов этот метод по­лучил достаточно широкое распространение (например, в Японии на его долю приходится около 25% ТБО, подвергаемых термической переработке). Считают, что сжигание в кипящем слое по эколого-экономическим параметрам в ряде случаев превосходит традицион­ное слоевое сжигание. Развитие этого метода в Японии прогнозируют и в будущем, в том числе за счет модернизации устаревших заводов.

Печи для сжигания ТБО в кипящем слое обеспечивают наилуч­ший режим теплопередачи и перемешивания обрабатываемого мате­риала и по этим характеристикам превосходят котлоагрегаты с переталкивающими решетками. Кроме того, аппараты кипящего слоя не имеют движущихся частей или механизмов. Однако необходимость обеспечения режима псевдоожижения обрабатываемого материала накладывает ограничение на его гранулометрический и морфологи­ческий состав, а также на теплотворную способность, в связи с чем в ряде случаев процесс сжигания в кипящем слое (особенно в цирку­лирующем кипящем слое) оказывается более дорогим, чем слоевое сжигание.

Производительность печей для сжигания ТБО в кипящем слое составляет от 3 до 25 т/час. Преобладающие температуры сжигания — 850-920°С.

В связи с более низкой (на 50-100°С) температурой сжигания ТБО в кипящем слое по сравнению со слоевым сжиганием заметно снижается возможность образования оксидов азота за счет окисле­ния азота воздуха, в результате чего снижаются выбросы NO_x с отхо­дящими газами. Кроме того, при сжигании в кипящем слое значи­тельно легче связать кислые соединения серы и хлора путем добавки в топочное пространство порошков соединений кальция (см. раздел I).

В зависимости от характера псевдоожижения различают три мо­дификации кипящего слоя: стационарный, вихревой и циркулирую­щий кипящий слой. Роль теплоносителя в системах кипящего слоя обычно выполняет тонкозернистый песок, частицы которого созда­ют большую по сравнению с традиционным колосниковым сжига­нием поверхность нагрева.

После разогревания песка с помощью запальной горелки до 750— 800°С начинают подачу в кипящий слой отходов, гд