Термические методы переработки ТБО при температурах выше температуры плавления шлака

 

Основными недостатками традиционных методов термической переработки ТБО являются большой объем отходящих газов (5000-6000 м³ на 1 т отходов) и образование значительных количеств шла­ков (около 25% по массе или не менее 10% по объему), которые отли­чаются повышенным содержанием тяжелых металлов и по этой при­чине находят лишь ограниченное применение (в основном, в каче­стве пересыпного материала на свалках). Для использования в стройиндустрии эти шлаки должны быть обезврежены. Основным спосо­бом обезвреживания шлаков является их плавление (в электропечах, печах с газовыми или мазутными горелками и пр.) с последующим остекловыванием. В остеклованной форме токсичные вещества на­ходятся в изолированном состоянии и не вымываются из шлака пос­ле его измельчения.

Для снижения количества отходящих газов (и одновременно для улучшения их состава) и, как следствие, для сокращения затрат на весьма дорогостоящую газоочистку работы ведут в двух направлениях. В соответствии с одним из них с помощью сортировки сокра­щают по сравнению с общей массу ТБО, направляемых на терми­ческую переработку, одновременно оптимизируя ее состав (с точки зрения гомогенизации, повышения и стабилизации теплотворной способности, снижения содержания вредных и балластных компо­нентов и по ряду других показателей). По другому направлению совершенствуют собственно термический процесс (замена части дуть­евого воздуха на кислород, оптимизация подачи дутья, применение комбинированных термических процессов "пиролиз-газификация" с использованием в качестве газифицирующего агента кислорода и энергетической утилизацией образующегося синтез-газа: температу­ра в процессе газификации повышается до 1400-2000°С, что одновременно приводит к образованию расплава шлака).

Для получения шлаковых расплавов непосредственно в процессе термической переработки ТБО необходимо обеспечить температуру выше температуры плавления шлаков (около 1300°С), что требует, как правило, либо использования кислорода, либо подвода дополни­тельной энергии. Замена части дутьевого воздуха на кислород одно­временно обеспечивает снижение количества отходящих газов.

В настоящее время в мировой практике апробирован ряд методов высокотемпературной переработки ТБО:

комбинация процессов пиролиз-сжигание (совместное сжигание при 1300°С пирогаза и твердого углеродистого пиролизного остатка, отсепарированного от минеральных компонентов);

комбинация процессов пиролиз-газификация-сжигание с исполь­зованием в качестве газифицирующего агента кислорода (темпера­тура процессов 1400-2000°С);

металлургические процессы:

- процесс сжигания при температуре 1350-1400°С в слое барботируемого шлакового расплава с использованием кислородного ду­тья (процесс Ванюкова, предложенный для переработки ТБО);

- термический процесс при температуре 1400-1500°С с исполь­зованием электрошлакового расплава;

-доменный процесс при температуре 2000°С;

плазменные технологии.

Сжигание в слое шлакового расплава. Наиболее очевидным способом повышения температуры сгорания отходов является умень­шение содержания в используемом окислителе (воздухе) доли инерт­ного компонента (азота), на нагрев которого расходуется значитель­ная часть выделяющейся энергии. При этом может быть использова­но и более простое оборудование для сжигания, например, шлако­вые ванны, в которых отсутствуют какие-либо движущиеся части.

Вторым значительным преимуществом сжигания в кислороде является резкое сокращение объема дымовых газов и, следователь­но, снижение затрат на газоочистку. Кроме этого, сниженная кон­центрация азота в дутьевом воздухе позволяет уменьшить количе­ство образующихся при высоких температурах оксидов азота, очис­тка от которых представляет собой серьезную проблему.

В начале 90-х годов для термической переработки ТБО при тем­пературе 1350-1400°С предложены металлургические печи Ванюко­ва (рис. IV-26). Сжигание в них осуществляют в слое находящегося в ванне печи барботируемого шлакового расплава (образуется из заг­ружаемых в печь золошлаковых отходов ТЭЦ). Сбрасываемые в ван­ну ТБО погружаются в интенсивно перемешиваемый вспененный расплав. Барботаж расплава осуществляют с помощью окислитель­ного кислородно-воздушного дутья, подаваемого через фурмы в ниж­ней части боковых стенок печи (ниже уровня расплава), для дожига­ния дымовых газов предусмотрена подача дутья через ряд верхних фурм (выше уровня расплава). Минеральная часть отходов раство­ряется в шлаке, а металлические компоненты расплавляются. Для получения шлака заданного состава в печь загружают флюс (реко­мендуется известняк).

 

Рис. IV-26. Переработка отходов в печи Ванюкова: 1 — барботируемый слой шлака; 2 — слой спокойного шлака; 3 — слой металла; 4 — огнеупорная подина; 5 — сифон для выпуска шлака; 6 — сифон для выпуска металла; 7 — переток; 8 — водоохлаждаемые стены; 9 — водоохлаждаемый свод; 10 — барботажные фурмы; 11 — фурмы для дожигания; 12 — загрузочное устройство; 13 — крышка; 14 — загрузочная воронка; 15 — патрубок газоотвода

 

Шлак, выпускаемый из печи (непрерывно или периодически) в сифон, целесообразно подавать в жидком виде на переработку в стро­ительные материалы. Теоретически в донной фазе должен получать­ся металл, однако практически в ходе опытных испытаний его полу­чить не удалось (очевидно, по объективным причинам: относитель­ное содержание металлов в ТБО невелико, и они могут либо терять­ся в шлаковом расплаве механически, либо окисляться и снова пере­ходить в шлаковую фазу).

В случае пониженной теплотворной способности ТБО в качестве дополнительного источника тепла можно использовать уголь или природный газ. Производительность печи по твердым отходам — около 15 т/час.

Процесс Ванюкова предлагают использовать не только для пере­работки ТБО, но и таковой промышленных отходов (в том числе пу­тем совместной переработки). Необходимо отметить, что механичес­кий перенос этого процесса для широкомасштабной термической переработки ТБО не правомерен вследствие того, что запуск печи достаточно сложен и занимает 7-8 суток (разработанный ИХФ РАН в Черноголовке реактор газификации требует для запуска 2-3 часа), печь имеет короткую (не более одного года) кампанию, при перера­ботке ТБО имеет место полная и закономерная потеря металлов в шлаке, создание безинерционной системы автоматического регули­рования процесса сложно и, соответственно, сложно поддержание заданной температуры без дополнительного расхода энергии, тепло­вой КПД печи Ванюкова низок.

Сжигание с использованием электрошлакового расплава. Для получения шлакового расплава может быть использован элект­ротермический метод, применяемый, например, при плавке стали в электропечах.

Наиболее целесообразно использовать электропечи не для пере­работки исходных ТБО, а для обезвреживания шлаков, образующих­ся в процессах термической переработки ТБО или их обогащенных фракций при температурах ниже температуры плавления шлака (вы­ход шлаков в таких процессах составляет 10-25% от исходных ТБО, что резко снижает потребную производительность электропечей и позволяет вовлекать шлак в переработку периодически).

В соответствии с данной технологией шлак направляют в элект­роплавильную печь, выполненную в виде металлического кожуха, футерованного изнутри огнеупорным кирпичом. Температура жид­кой шлаковой ванны составляет 1400-1500°С. Разогрев шлака в элек­тропечи осуществляют с помощью графитовых электродов (обычно трех), подключенных к источнику питания. Состав шлака можно регулировать добавкой флюсов.

Шлак выгружают из электропечи периодически. Поскольку соли тяжелых металлов из шлакового продукта не выщелачиваются, шлак можно использовать как сырье для производства стройматериалов. Шлаки после электроплавки могут быть переработаны в высокока­чественный строительный материал, в частности, из них можно по­лучать утеплитель с насыпной плотностью от 180 до 250 кг/м³ или пористый заполнитель конструкционных бетонов плотностью до 900 кг/м³ (технология основана на гранулировании шлакового по­рошка с добавками и последующем обжиге гранул во вращающейся обжиговой печи).

Преимуществами электроплавки шлаков являются отсутствие необходимости подачи дутьевого воздуха, простота поддержания тем­пературы процесса и получение экологически чистого целевого продукта. Основные недостатки переработки отходов в электрошлаковой ванне связаны с большим расходом электроэнергии (около 100 кВт*ч на 1 т переплавляемого шлака) и относительно высоким расходом гра­фитовых электродов (10 кг/1000 кВт-ч). Вместе с тем в условиях ра­боты мусороперерабатывающего завода, производящего из отходов энергию, большой расход последней на электропереплав решающей роли не играет.

Таким образом, наиболее подходящим объектом для электропе­реплавки являются шлаки и, возможно, некоторые отходы сортиров­ки ТБО.

Сжигание в плотном слое кускового материала и шлаковом расплаве без принудительного перемешивания и перемещения материала (доменный процесс). Для термической переработки твер­дых бытовых и промышленных отходов любого состава предложено использовать шахтные печи (по конструкции аналогичны доменным печам). Подлежащие переработке отходы смешивают с низкосорт­ным углем (расход угля — 25-30% от количества загружаемых в печь отходов) и известняком (расход известняка — 30% от количества заг­ружаемых в печь отходов), загружают сверху в печь и продувают предварительно подогретым до 1000-1400°С воздухом, обеспечивая получение в нижней части печи газов с температурой не менее 2000°С (воздух подогревают в специальных подогревателях-кауперах, представляющих собой металлические футерованные емкости с насад­кой из керамических элементов в виде шариков из диоксида цирко­ния или алюминия).

Для переработки 60 тыс. т отходов в год предполагается исполь­зовать доменную печь объемом 200 м³ (высота — 18 м, диаметр гор­на — 4,25 м). Продукты высокотемпературной переработки, жидкий металл (чугун) и жидкий расплав шлака без повторного их нагрева предполагают перерабатывать в изделия. Предполагают также ути­лизировать тепло отходящих газов с целью производства тепловой и электрической энергии.

Преимущества предлагаемого процесса перед другими видятся в его экологической безопасности и высокой рентабельности, возмож­ности переработки любых отходов с получением товарной продук­ции широкого спроса. Вместе с тем, очевидно, нет необходимости смешивать ТБО с любыми другими отходами. Система сбора ТБО и их доставки на завод отличается от таковой других отходов, в связи с чем допустима лишь совместная переработка с ТБО отходов, к ним приравненных. Наряду с этим объемы образования ТБО таковы, что не хватает мощностей для их промышленной переработки, поэтому организация совместной переработки ТБО и других многотоннаж­ных твердых отходов не актуальна.

Серьезным недостатком предлагаемой технологии является не­обходимость подачи в процесс больших количеств угля и известняка (следовательно, необходимость дополнительных складских помеще­ний и транспортных систем, сложных операций шихтовки материа­лов, зависимость от поставщиков и пр.). При плавке железных руд это оправдано, при переработке же ТБО — является осложняющим, неоправданным фактором (суммарный расход угля и известняка — около 60% от количества ТБО). К тому же морфологический состав ТБО не позволяет эффективно выделять металлический расплав в донной фазе (очевидно, требуется добавка к ТБО подходящих отхо­дов с высоким содержанием металла). В этой связи технология до­менного процесса применительно к ТБО вряд ли оправдана (прежде всего, по экономическим соображениям). Фактически в предлагае­мом процессе безвозвратно теряются ценные компоненты ТБО (алю­миний, олово, черный металл), которые можно выделить в самосто­ятельные продукты при сортировки ТБО. Реализация же получаемо­го по данной технологии металлического расплава проблематична.

Комбинированные процессы. Комбинированные методы свя­заны с осуществлением различных сочетаний процессов пиролиза, сжигания и газификации ТБО.

Пиролиз-сжигание пирогаза и отсепарированного углеродно­го остатка с использованием необогащенного дутья. В масшта­бах опытно-промышленной установки испытана технология перера­ботки ТБО (процесс фирмы "Siemens KWU"), функционирующая по схеме "пиролиз-сжигание" (рис. IV-27). Эта технология включает из­мельчение отходов роторными ножницами до размера менее 200 мм; пиролиз отходов при 450°С в течение 1 часа во вращающейся бара­банной печи (4 об/мин), снабженной обогреваемыми внутренними лопастями (обогрев дымовыми газами с температурой 600°С), с об­разованием пиролитического газа и пиролитического твердого ос­татка (смесь углерода и минеральных компонентов); выделение из пиролитического остатка металлов и минеральных компонентов (кам­ни, стекло и пр.) фохочением (отбирают фракцию более 5 мм, выход которой равен 12-13%); отделение черных и цветных металлов от минеральных компонентов; измельчение углеродистого остатка на угольной мельнице до крупности менее 100 мкм; совместное сжига­ние при небольшом избытке воздуха утольной пыли и пиролитического газа при температуре 1300°С с образованием расплава шлака (выход шлака 12-13%); утилизацию тепла дымовых газов в котле-утилизаторе и выработку электроэнергии в турбогенераторе (350-450 кВтч/т).

Рис. IV-27. Переработка отходов по технологии фирмы "Siemens KWU"

 

В получаемом на выходе из пиролитического барабана материа­ле все органические составляющие исходных ТБО превращены в углеродистый остаток, который отделяют от минеральной части грохочением. Поскольку температура в пиролизной печи (450°С) суще­ственно меньше, чем в печи сжигания (850°С), в первой из них мно­гие компоненты ТБО (черные и цветные металлы, стекло и пр.) не претерпевают никаких изменений, а лишь очищаются от органичес­ких загрязнений, что упрощает их выделение и утилизацию. Отделе­ние минеральной составляющей отходов перед процессом сжигания существенно повышает экологическую безопасность метода, так как в дымовые газы и золу переходит существенно меньшее количество вредных веществ (прежде всего, тяжелых металлов).

Основными достоинствами характеризуемого метода являются его автогенность (процесс не требует подвода энергии) и получение эко­логически безвредного шлака (используется в качестве щебня). Ос­новные недостатки метода составляют дробление всей массы исход­ных ТБО и грохочение углеродистого продукта пиролиза, представ­ляющего собой сажистый, сильно пылящий материал, загрязняю­щий отделяемые минеральные компоненты (последние переходят в класс +5 мм). Следует отметить также, что использование барабан­ной печи с лопастями представляется не самым удачным вариантом для пиролиза ТБО, так как в результате плавления содержащихся в отходах пластмасс такие конструкции склонны к забиванию.

Повышения надежности технологии, вероятно, можно добиться, перерабатывая лишь горючую фракцию ТБО, которая по сравнению с исходными ТБО более стабильна по составу, имеет более высокую теплотворную способность и меньшее содержание балластной ми­неральной части. В этом случае, по-видимому, можно будет отка­заться от операции грохочения пиролитического остатка, которая сопровождается образованием большого количества трудно улавли­ваемой угольной пыли, и использовать более эффективную техноло­гическую схему переработки.

Пиролиз-газификация (получение синтез-газа при совмест­ной термообработке пирогаза и сепарированного углеродистого остатка) с использованием обогащенного кислородом дутья. Го­ловная часть технологической схемы данного метода, разработанно­го фирмой "Noell" (рис. IV-28), во многом аналогична схеме, рас­смотренной выше в предыдущем разделе, и включает пиролиз дробле­ных (роторные ножницы) ТБО в барабанной печи при 550°С (в от­личие от названной предыдущей технологии используется полая ба­рабанная печь), сепарацию черных и цветных металлов из твердых продуктов пиролиза (минеральные компоненты от твердого углеро­дистого остатка не отделяют), тонкое измельчение не содержащего металлов материала. Продукт последней операции под большим дав­лением инжектируют в верхнюю часть реактора газификации, куда вводят также технический кислород и раздельно подают остальные продукты пиролиза: охлажденный пирогаз, отделенный от пиролиз-ных масел и воды, и жидкие продукты пиролиза (масла, вода) со следами пыли.

 

Рис. IV-28. Переработка отходов по технологии фирмы "Noell"

 

Процесс газификации, т.е. частичное окисление в пламени тех­ническим кислородом, осуществляют в цилиндрической реакцион­ной камере, контуры которой ограничены охлаждаемыми водой трубчатыми стенками. При разложении органических веществ в реак­торе образуется газ, содержащий СО и Н₂ и свободный от вы­сокомолекулярных углеводородов.

Температуру реакции устанавливают таким образом, чтобы обес­печить плавление минеральных веществ, содержащихся в исходном материале. Расплав стекает по охлаждаемым стенкам реактора в виде пленки шлака. Жидкий шлак и синтез-газ выводят из зоны реакции через разгрузочное отверстие. В любой точке реактора температура газа выше температуры шлака.

В зоне охлаждения, находящейся ниже реакционной камеры, газ и шлак совместно охлаждают холодной водой, впрыскиваемой через форсунки. Газ выводят из зоны охлаждения с температурой 150-210°С в зависимости от давления. Шлак отверждают и в форме гранул уда­ляют через шлюзовой затвор.

Предварительно очищенный в зоне охлаждения газ подвергают дополнительной очистке от соединений серы. Сера, попадающая в процесс в составе исходного сырья, находится в форме сероводоро­да, который может быть относительно просто отделен и переведен в элементную серу, передаваемую для реализации потребителям.

Сточные воды из зоны охлаждения содержат практически все твердые примеси, содержащиеся в неочищенном газе: хлориды ще­лочных металлов и аммония, следы сероводорода. Эту воду можно удалить или вернуть в процесс после извлечения из нее растворенных газов и твердых частиц. Конденсат, получаемый при охлаждении син­тез-газа, впрыскивают в зону охлаждения.

Синтез-газ может быть либо направлен в процесс синтеза мета­нола или этанола (из-за нестабильного морфологического состава ТБО такой способ утилизации малоэффективен), либо на сжигание в энергоустановках. Затраты на получение кислорода при реализа­ции этой технологии компенсируются существенным упрощением отделения очистки дымовых газов (получаемый в процессе синтез-газ требует простой схемы очистки) и возможностью энергетическо­го использования синтез-газа.

Пиролиз-газификация (получение синтез-газа при совмест­ной термообработке пирогаза, углеродистого остатка и минераль­ной фракции) с использованием обогащенного кислородом ду­тья. По технологии, разработанной фирмой «Thermoselect» и оха­рактеризованной на рис. IV-29, исходные ТБО последовательно под­вергаются дроблению, прессованию и пиролизу при температуре 600°С в печи туннельного типа длиной 15 м. Из пиролизной печи твердый углеродистый остаток вместе с минеральными компонента­ми, включая металлы, направляют в реактор газификации вертикаль­ного типа. В качестве газифицирующего агента используют кисло­род. Газификация с образованием оксида углерода происходит в ниж­ней части реактора при контакте углеродистого остатка с кислоро­дом. Температура при этом повышается до 2000°С, и образовавшийся расплав поступает в шлаковую ванну, где разделяется на два слоя — металлический и собственно шлаковый. Образующийся синтез-газ выводят из верхней части реактора при 1200°С, охлаждают и под­вергают очистке. Очищенный синтез-газ сжигают с утилизацией энер­гии.

 

Рис. IV-29. Переработка отходов по технологии фирмы "Thermoselect"

 

Основными недостатками процесса "Thermoselect" считают дроб­ление всей массы исходных ТБО и отсутствие их предварительной сортировки, загрязнение синтез-газа летучими тяжелыми металла­ми (свинец, кадмий, ртуть, олово) и связанное с этим усложнение газоочистки, проблематичность утилизации металлического расплава.

Слоевое или камерное сжигание специально подготовлен­ных отходов совместно с природным топливом в топках энерге­тических котлов. Начиная с середины 70-х годов, за рубежом нахо­дит применение метод совместного сжигания ТБО и энергетическо­го топлива. Применение такой технологии обеспечивает эффектив­ное обезвреживание отходов, позволяет экономить до 20% энергети­ческого топлива и создать условия для стабильной выработки тепла. Кроме того, исключается необходимость создания новых специаль­ных дорогостоящих агрегатов для сжигания отходов. Достаточно произвести реконструкцию уже работающих парогенераторов или внести изменения в конструкцию серийных агрегатов. Предполага­ют, что слоевое или камерное сжигание специально подготовленных отходов в топках энергетических котлоагрегатов или в цементных печах в ближайшее десятилетие получит широкое применение. В США и Великобритании с 70-х годов проводят работы по выработке из отходов топлива "Retuse Derived Fuel" (RDF), которое можно дли­тельное время хранить и транспортировать на относительно боль­шие расстояния.

Однако теплотехнические свойства топлива, получаемого этими странами, различны. В США стремятся получить высококачествен­ное топливо (далее — продукт), что связано с высокими капита­ловложениями, а Великобритания создает простые дешевые спосо­бы получения продукта низкого и среднего качества. В то время как в США экономичными являются установки производительностью от 1000 т/сутки перерабатываемых отходов и выше, в Великобритании это значение снижено до 200-300 т/сутки.

В технологическом процессе получения продукта подавляющее большинство схем на первом этапе подготовки включает дробление отходов и последующую сепарацию черных металлов. Некоторые системы ограничиваются этими двумя операциями. В таком случае продукт содержит значительный процент балластных фракций и его складирование и транспортировка не оправданы. Однако, как пра­вило, при изготовлении продукта не ограничиваются измельчением и сепарацией, а применяют аппараты для разделения (различные сита, воздушные, баллистические и другие виды сепаратов) и агрегаты для уплотнения, позволяющие гранулировать и брикетировать сырье. Полученное таким способом топливо удобно складировать и транс­портировать.

Выбор способа получения продукта в значительной степени за­висит от вида отходов, их состава, а также последующего способа использования синтетического продукта. Естественно, что по мере усложнения процесса получения продукта возрастают капиталовло­жения и эксплуатационные расходы. Способы получения продукта отличаются, во-первых, качеством топлива и, во-вторых, удельным количеством топлива на тонну отходов.

Продукт можно использовать в качестве основного или допол­нительного топлива. Во втором случае в камеру сгорания его можно подавать вместе с основным топливом (например, углем). Многие котельные установки, оборудованные устройствами для удаления шлака и летучей золы, нуждаются лишь в небольших модификациях для работы на продукте.

При проектировании совместного сжигания необходимо провес­ти ряд сравнений угля и продукта. Следует учитывать свойства топ­лива: теплоту сгорания, химический состав, включая N, S, F и CI, состав золы, шлака и температуры их плавления. Величины теплоты сгорания, характеризующие продукт, разнообразны, но аналитичес­кие данные оценки 223 проб (479 т) свидетельствуют, что они нахо­дятся в пределах 5300-7700 кДж/кг.

Примером простейшей схемы приготовления и применения RDF может служить установка в Бирменгеме (Великобритания), постро­енная фирмой "Imperial Metal Industries" (IMI). Теплота сгорания получаемого на ней топлива сопоставима с таковой неподготовлен­ных отходов и составляет около 2200 ккал/кг. На установке IMI ТБО загружают в приемный бункер, откуда транспортером подают в мель­ницу производительностью 15 т/ч системы Tollemach, где отходы размельчают до максимального размера 15 см (80 % дробленых от­ходов имеют размер менее 5 см). Далее из дробленых отходов отде­ляют черные металлы. Подготовленные таким образом отходы заг­ружают в закрытые контейнеры и перевозят автотранспортом в ко­тельную, расположенную на расстоянии 1 км от установки подго­товки отходов.

Доставленные к котельной подготовленные отходы из контейне­ров выгружают на ленточный транспортер и воздуходуховкой через две горелки вдувают в котлоагрегат, где их сжигают вместе с углем.

Расход топлива составляет 5 т/ч, что соответствует 50 % от обще­го расхода топлива (по тепловой нагрузке). Как показал опыт, не­смотря на увеличение содержания летучей золы в дымовых газах, перегрузки электрофильтров не наблюдается. Капитальные вложе­ния на сооружение установки для получения RDF по способу IMI составили в 1975 г. около 0,5 млн. фунтов стерлингов. Этот метод применяется только для установок со слоевым способом сжигания.

Пиролиз ТБО. Первые лабораторные установки термического обезвреживания отходов возникли в процессе изучения закономер­ностей их пирогенетического разложения (пиролиза), поэтому впос­ледствии понятием пиролиз были объединены все системы, обеспе­чивающие комплексную энерготехнологическую переработку отхо­дов. В теплоэнергетике термохимические методы использования топ­лива разделяют в зависимости от условий процесса на пиролиз, га­зификацию и двухступенчатое сжигание.

В наиболее общем случае при пиролизе отходов протекают свя­занные между собой процессы сушки, сухой перегонки (пиролиза), газификации и горения коксового остатка, а также взаимодействия образующихся газообразных продуктов.

Сухой перегонкой (пиролизом) отходов принято называть про­цессы термического разложения топлива без доступа окислителя. Для процессов пирогенетического разложения отходов характерно стехиометрическое уравнение, подобное уравнениям химических реакций:

отходы → газ + смолы + водный раствор + углеродистый твердый остаток (кокс).

Соотношение количеств получаемых продуктов (газообразных, жидких и твердых) и их состав зависят от условий пиролиза и соста­ва сырья. Особое влияние на процесс оказывают скорость нагрева­ния и температура, с повышением которых значительно увеличива­ется выход газа (растет содержание водорода) и жидких продуктов. Выделение газообразных веществ заканчивается при температурах 1000-1100°С. Теплотворная способность газов ~ 11180-13040 кДж/м³. Конденсирующаяся из парогазовой фазы жидкость содержит около 70-80% воды, деготь, нерастворимые масла, уксусную кислоту, ме­танол и другие органические вещества. Ее теплотворная способность изменяется от 2330 до 4660 кДж/кг. Твердый продукт имеет теплотворную способность 25630-27960 кДж/кг беззольного вещества.

В результате газификации углерод твердого остатка под воздей­ствием окислителя (воздуха, кислорода или водяных паров) превра­щается в газообразное топливо. Оставшийся после этого твердый остаток содержит лишь минеральную часть отходов в виде золы или шлака. В основе газификации лежит либо неполное горение кокса (при недостатке кислорода), либо полное горение с последующим реагированием углерода с углекислотой и водяным паром.

Образование так называемого воздушного газа (при воздушном или кислородном дутье) сопровождается следующими реакциями:

2С + О₂ = 2СО (при неполном горении)

С + О₂ = СО₂ (при полном горении),

СО₂+С = 2СО.

При паровом дутье происходят следующие реакции образования водяного газа:

С + H₂O = CO + H₂

С+2Н₂О = СО₂+2Н₂

СО₂ + С = 2СО,

СО₂ +Н₂= СО + Н₂О.

При реагировании с коксом смеси воздуха (или кислорода) и во­дяного пара образуется так называемый смешанный или паровоз­душный газ; в этих условиях протекают все вышеуказанные хими­ческие реакции. Перечисленные реакции являются суммарными: в действительности механизм реагирования при пиролизе отходов зна­чительно более сложен.

В настоящее время известно более 50 систем пиролиза отходов, отличающихся друг от друга видом исходного сырья (отходов), тем­пературой процесса и конструктивными решениями технологичес­кой схемы переработки сырья.

В основу классификации пиролизных установок положен темпе­ратурный уровень процесса, поскольку именно температурой в реак­торе определяется выход и качество продуктов пиролиза отходов того или иного состава. В соответствии с этим различают три разновид­ности пиролиза: низкотемпературный (450-550°С), характеризую­щийся минимальным выходом газа, максимальным количеством смол, масел и твердых остатков; среднетемпературный (до 800°С), при котором увеличивается выход газа, уменьшается количество смол и масел; высокотемпературный (свыше 800°С), отличающийся мак­симальным выходом газов и минимальным количеством смолообразных продуктов.

Высокотемпературный пиролиз имеет ряд преимуществ по срав­нению с другими методами: он обеспечивает более интенсивное пре­образование исходного продукта; скорость реакций возрастает с увеличением температуры по экспоненте, в то время как тепловые поте­ри возрастают линейно; расширяется промежуток теплового воздей­ствия на отходы, происходит более полный выход летучих продук­тов; сокращены объем и количество остатка по окончании процесса.

Установки высокотемпературного пиролиза (УВТП) позволяют наряду с бытовыми обезвреживать и производственные отходы.

Различают высокотемпературный пиролиз с твердым (до 1100°С) и жидким (свыше 1400°С) шлакоудалением. При пиролизе стремят­ся избегать области температур в интервале 1050-1400°С, поскольку в этом диапазоне начинается размягчение и плавление шлаков, что может привести к неполадкам в системе шлакоудаления. Установки как с твердым, так и с жидким шлакоудалением подразделяют в за­висимости от схем организации процесса (прямоточная, противоточная), конструктивного оформления и принципа действия реактора (шахтный, барабанный, плазменный), вида дутья (воздушное, кис­лородное, паровое). Системы с твердым шлакоудалением отличают­ся, кроме того, наличием или отсутствием процесса газификации коксового остатка, характером подвода тепла к слою перерабатывае­мых отходов (внешний и внутренний нагрев).

В настоящее время разработана эксплуатирующая нестандартное оборудование установка высокотемпературного пиролиза производитель­ностью 800 кг/ч перерабатываемых ТБО. Основными ее узлами явля­ются реактор, представляющий шахтную печь со встроенной внутри швельшахтой, и система эвакуации газов, позволяющая избежать сме­шения пиролизных и дымовых потоков. Отходы загружают в верхнюю часть реактора с тремя затворами шиберного типа. Под действием соб­ственной массы отходы опускаются через швельшахту в нижнюю часть реактора, куда подают подогретый до 800°С воздух. Пиролиз отходов осуществляют в швельшахте, получаемые газообразные продукты отво­дят через ее верхнюю часть в конденсатор. В конденсаторе выделяют влагу и смолу. Часть пиролизного газа отбирают для подачи в горелки воздухоподогревателя и в горелки реактора. Углеродистый остаток про­цесса пиролиза отходов сгорает при температуре 1600°С, достаточной для плавления негорючих составляющих. Расплавленный шлак выво­дят в шлаковую ванну. Омывающие швельшахту дымовые газы направ­ляют в воздухоподогреватель, а затем через систему газоочистки выбра­сывают в атмосферу.

По тракту дымовых газов за системой газоочистки установлен автоматический газоанализатор, воздействующий через систему ре­гулирования на дроссельные заслонки, установленные на линиях уходящих дымовых и пиролизных газов. При появлении в потоке дымовых газов продуктов неполного сгорания открывается дроссель­ная заслонка на линии пиролизного газа и прикрывается заслонка на линии дымовых газов. Таким образом, в линию пиролитического газа подают минимум балластных продуктов полного сгорания, на­правляемых в дымоход.