Родионов А. И и др. Tехнологические процессы экологической безопасности /Основы энвайронменталистики

Подождите немного. Документ загружается.

'731

На рис. IV-21 представлен общий вид завода, на котором реали-

зовано слоевое сжигание отходов в барабанной вращающейся печи.

Барабанные печи устанавливают с небольшим наклоном в на-

правлении 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 га-

зификация и сжигание (обычно при 900-IOOO

C).

При сжигании отходов в барабанных печах в принципе можно

достичь и более высоких температур горения, но высокотемператур-

ное сжигание ТБО приводит к быстрому износу достаточно тонкой

футеровки в печах этого типа (раз в полгода требуется замена внут-

ренней футеровки печи — операция трудоемкая, сложная и дорогая,

ее стоимость составляет около 10

стоимости самой печи). Для по-

вышения 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).

Барабанные печи используют в технологии «Пироксэл», реали-

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

'732

зующей трехстадийную термическую обработку отходов: сушку до

содержания влаги 20%; сжигание (либо пиролиз+сжигание) при тем-

пературе 900°С и электрошлаковую обработку остатков сжигания при

1400-1500°С. Данная технология, названная пиролизно-мегаллурги-

ческой переработкой, прошла достаточно длительные испытания на

крупномасштабной опытной установке. Согласно одному из вариан-

тов этой технологии ее первые две стадии осуществляют во вращаю-

щихся барабанах (рис. IV-22). В зону сушки подают горячие дымо-

вые газы после их реагентной очистки, а в зону горения — подогре-

тый до 400°С дутьевой воздух. Образующийся шлак и дымовые газы

поступают в электроплавильную печь.

Существенными недостатками данной технологии являются прак-

тически полная потеря металлов (выделяемый в ванне электропечи в

виде донной фазы металлосодержащий продукт неизвестного соста-

ва получают после периодического слива струи расплава на поверх-

ность 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 метал-

лов, содержащихся в не подвергнутых предварительной сортировке

исходных ТБО, а также высокие эксплуатационные расходы.

В практике мусоросжигания барабанные печи ранее часто исполь-

Рис. IV-22. Схема переработки отходов по технологии "Пироксэл":

—заг-

рузочное 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

'733

зовали с целью дожигания продуктов сжигания ТБО на колоснико-

вых 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 пе-

реталкивающих колосниковых решеток. Помимо дожигания несго-

ревшей части ТБО, в барабанных печах происходит дробление обра-

зующегося при сжигании ТБО шлака, который с помощью системы

шлакоудаления подают на пластинчатый конвейер и далее направля-

ют в шлаковое отделение.

Сжигание в печах кипящего слоя. Сжигание в кипящем слое

осуществляют за счет создания двухфазной псевдогомогенной сис-

темы "твердое-газ" путем превращения слоя отходов в "псевдожид-

кость" под

действием динамического напора восходящего

потока

газа,

достаточного для поддержания твердых частиц во взвешенном со-

стоянии. Слой напоминает кипящую жидкость, и его поведение под-

чиняется законам гидростатики.

Технология сжигания ТБО в кипящем слое впервые реализована

в начале 80-х годов в Японии. К середине 90-х годов этот метод по-

лучил 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 традицион-

ное слоевое сжигание. Развитие этого метода

Японии прогнозируют

будущем, в том числе за счет модернизации устаревших заводов.

Печи для сжигания ТБО в кипящем слое обеспечивают наилуч-

ший режим теплопередачи и перемешивания обрабатываемого мате-

риала и по этим характеристикам превосходят котлоагрегаты с пере-

талкивающими 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 морфологи-

ческий состав,

также на теплотворную способность,

связи с чем в

ряде случаев процесс сжигания в кипящем слое (особенно в цирку-

лирующем 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

'734

ТБО в кипящем слое по сравнению со слоевым сжиганием заметно

снижается возможность образования оксидов азота за счет окисле-

ния азота воздуха, в результате чего снижаются выбросы NO

с отхо-

дящими газами. Кроме того, при сжигании в кипящем слое значи-

тельно 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 мо-

дификации кипящего слоя: стационарный, вихревой и циркулирую-

щий кипящий слой. Роль теплоносителя в системах кипящего слоя

обычно выполняет тонкозернистый песок, частицы которого созда-

ют большую по сравнению с традиционным колосниковым сжига-

нием поверхность нагрева.

После разогревания песка с помощью запальной

горелки

до 75O-

800°С начинают подачу в кипящий слой отходов, где последние

смешиваются с песком и

процессе движения истираются. В резуль-

тате хорошей теплопроводности песка отходы начинают быстро го-

реть равномерно во всем объеме кипящего слоя. Выделяющееся при

этом тепло обеспечивает поддержание песка в горячем состоянии,

что позволяет работать в автогенном режиме без подвода дополни-

тельного топлива для обеспечения режима горения.

Для сжигания ТБО в стационарном кипящем слое печи оснаща-

ют цилиндрической или прямоугольной топкой, ограниченной сни-

зу газораспределительной решеткой, конструкция которой обычно

предусматривает возможность удаления шлака. Кипение слоя дроб-

леных ТБО в камере сжигания обеспечивает поток подогретого пер-

вичного воздуха. Вторичное

дутье

подают поверх кипящего слоя (для

обеспечения дожигания). Шлак вместе с частью песка выгружают

снизу и подвергают грохочению с целью регенерации песка.

На рис. IV-23 приведена схема завода, на котором реализовано

сжигание ТБО в стационарном кипящем слое. Как видно из рисун-

ка, проектно-компоновочные решения такого завода заметно отлича-

ются от таковых заводов, на которых производят слоевое сжигание

ТБО.

Различают одно- и двухвихревой кипящий слой. Роль направля-

ющего устройства, определяющего характер кипящего слоя, выпол-

няют пластины, фиксированные с наклоном по отношению к желобу

системы шлакоудаления. Под действием потоков воздуха происхо-

дит принудительное эллиптическое движение кипящего слоя. Пер-

вичный воздух подают в топку через несколько воздуховодов, при-

'735

чем скорость потока воздуха возрастает по направлению к желобу

шлакоудаления.

Эффективность процесса сжигания отходов в кипящем слое в

значительной степени обеспечивают следующие особенности конст-

руктивного выполнения камеры сжигания:

фурменное днище камеры состоит из нескольких секций, через

которые вводится различное количество дутьевого воздуха, чтобы

обеспечить ожижение и вихревое движение слоя загрузки. Скошен-

ная форма фурменного днища облегчает выгрузку;

дефлекторы в верхней части топочной камеры обеспечивают на-

правление вихревого движения, определяют степень расширения

кипящего слоя и предотвращают вынос песка из слоя, благодаря чему

удается удерживать точные геометрические размеры слоя;

два вращающихся в противоположных направлениях потока эл-

липтической формы, соприкасающиеся в середине, обеспечивают

оптимальное распределение и ворошение отходов, благодаря чему

достигается более чем 99%-ное сгорание отходов и предотвращение

подпора при загрузке новых отходов.

Рис. IV-23. Сжигание отходов в стационарном кипящем слое: 1 — питатель

отходов; 2 — решетка с отверстиями; 3 — камера сжигания; 4 — горелка; 5 —

дутьевой вентилятор; 6 — циклон; 7 — электрофильтр; 8 — дымосос; 9 — труба

'736

Чтобы достичь полного сгорания летучих компонентов, в зону'

высокой турбулизации подают вторичный воздух, который интен-

сивно перемешивается с горючими газами и способствует их полно-

му дожиганию в выше расположенном реакционном пространстве,

в котором поддерживается температура 850°С (время пребывания га-

зов в этой зоне составляет 5 секунд).

Для регулирования температуры периодически осуществляется

рециркуляция дымового газа.

На рис. IV-24 схематично представлена печь с циркулирующим

кипящим слоем. Печь запроектирована для завода производитель-

ностью 500

тыс.

т/год, где установлены две печи производительностью

25 т/час каждая. Крупность загружаемого в печь материала — 100 мм,

минимальная теплотворная способность — около 10000 кДж/кг

(~ 2450 ккал/кг).

Эффективное сжигание в печи обеспечивают хорошим контак-

том топлива из отходов с горячим песком (печь заполняют песком на

1/3 объема). Материал постоянно циркулирует в системе печь-цик-

лон, и по всей высоте печи поддерживается равномерная температу-

ра 830-920°С (относительно низкая температура способствует сни-

жению выбросов оксидов азота на 25-40% по сравнению с исполь-

зованием коглоагрегатов со стандартными решетками, снижению кор-

розионного действия хлора). Отсортированную и дробленую фрак-

Загрузка

отходов

Дутьевой

воздух

Пароперегре-

ватели

Экономайзер

Дымовые газы

на очистку

Шлак на переработку

Рис. IV-24. Печь для сжигания отходов в циркулирующем кипящем слое

'737

цию ТБО (топливо из отходов) загружают в переднюю часть печи.

Охлаждаемые водой (защитная рубашка из труб) стенки печи вы-

полнены из высоконикелистой стали. Дутьевой воздух нагревают до

300-350°С и подают в печь в нескольких точках (на схеме показана

одна). Отходящие газы из печи направляют в циклон, где осаждают

шлак. Температура в циклоне составляет 750-800°С, т.е. циклон ча-

стично выполняет функцию печи. Для рекуперации тепла в циклоне

имеются трубы.

Время пребывания отходящих газов в печи составляет около 4 сек.

Печь характеризуется пониженным выходом шлака и летучей золы и

является экологически наиболее чистым агрегатом из термического

оборудования данного профиля. Энергетическое использование от-

ходов при ее эксплуатации характеризуется высокой эффективнос-

тью (615 кВт ч/т).

Сжигание-газификация в плотном слое кускового материа-

ла без его принудительных перемешивания и перемещения. Раз-

работан процесс газификации, характеризующийся высокой степе-

нью использования энергетического потенциала сырья, подвергае-

мого термообработке (процесс назван сверхадиабатическим горени-

ем). Его осуществляют в реакторе (рис. IV-25) типа вертикальной

шахтной печи с внутренним диаметром 1,6 м (внешний диаметр 2,5 м)

и высотой 7,3 м, куда сверху загружают в соотношении 1:0,4 отходы

(преимущественная крупность — 200 мм) и инертный материал типа

шамота (крупность от -120 до +70 мм), а снизу

подают

газифицирую-

щий агент — паро-воздушную смесь с температурой 60-80°С). Ша-

мот выполняет функцию тепло-

носителя и создает оптимальные

условия для реакции газифика-

ции. Процесс проводят

при

отно-

сительно малых линейных скоро-

стях потока и осуществляют в

виде двух стадии: газификации

отходов (максимальная темпера-

тура в реакторе составляет

1200°С —

зоне несколько ниже

Рис. IV-25. Реактор газификации в

плотном слое кускового материала

без принудительного перемешива-

ния и перемещения отходов

Загрузка

Выгрузка золы

'738

середины реактора) и сжигания полученного синтез-газа (смесь во-

дорода, оксида и диоксида углерода, азота и водяного пара, в кото-

рой присутствуют углеводороды и аэрозоли пиролизных смол) в па-

ровом котле с топкой при избытке вторичного воздуха. Продукты

газификации (газ и шлак) выводят из реактора при температуре ме-

нее 150°С, что характеризует весьма высокий тепловой КПД реактора.

Теплотворная способность синтез-газа при газификации обогащенной

фракции ТБО составляет около 1200 ккал/м

. Перегретый пар из котла

является питанием паровой машины с электрогенератором.

Поскольку процесс паро-воздушной газификации проводят

плот-

ном слое кускового материала при относительно малых линейных

скоростях потока,

синтез-газе, который выводят из реактора сверху,

практически отсутствует золоунос. Перемещение твердого материа-

ла в реакторе происходит под действием силы тяжести. Перемеща-

ясь сверху вниз, материал последовательно проходит зоны подогре-

ва, сушки, пиролиза и газификации. Получаемый в результате про-

цесса шлак практически не содержит недожога. После выгрузки из

реактора его подвергают грохочению для отделения от инертного

материала, используемого в качестве оборотного.

По массе исходных ТБО производительность одного реактора

составляет 1,8 т/час, в случае газификации обогащенной фракции

ТБО она возрастает до 2,7 т/час. В процессе газификации обогащен-

ной фракции ТБО удельный расход дутьевого воздуха составляет

около 5000 м

/т (в том числе первичное дутье — 1000 м

/т, вторич-

ное дутье —

около

4000 м

/т), водяного пара —

около

300 м

/т, электро-

энергии —

около

40 кВт

ч/т.

Объем отходящих

газов

— около 5000 м

/т.

По расчетам, производство электроэнергии составляет 330 кВт. ч/т

газифицируемых отходов.

Крупность материала не более 200 мм (допускается крупность

250 мм для отдельных кусков бумаги и полимерной пленки) и его

теплотворная способность не менее 1500 ккал/кг представляют ос-

новные требования к отходам, направляемым на газификацию. Эти

требования обеспечивают на стадии обогащения ТБО введением в

технологическую схему соответствующих операций, позволяющих

также предотвратить попадание в процесс металлов, экологически

опасных и некоторых других компонентов.

Усреднение состава горючих отходов и их равномерная подача в

процесс термообработки являются необходимыми условиями обес-

печения стабильности термического процесса, а также повышения

его эффективности и таковой последующей газоочистки Стабиль-

'739

ность процесса обеспечивают автоматическим регулированием его

четырех параметров: температуры (регулируют с помощью измене-

ния подачи водяного пара), расположения фронта зоны газифика-

ции по высоте реактора (регулируют изменением скорости выгрузки

шлака при неизменном расходе дутьевого воздуха), расхода вторич-

ного дутьевого воздуха (регулируют по остаточному содержанию

кислорода в дымовых газах), уровня загружаемого материала.

Рассматриваемый процесс газификации по сравнению со слое-

вым сжиганием ТБО имеет следующие экологические преимущества:

Поскольку процесс проводят в плотном слое кускового материа-

ла при относительно малых линейных скоростях потока, в синтез-

газе, выводимом из реактора сверху, практически отсутствует, как

отмечено выше, золоунос (газы по пути своего движения проходят

своеобразный

фильтр).

Учитывая,

что

на частицах летучей

золы

осаж-

дается большая часть вредных примесей, в том числе тяжелых ме-

таллов (металлы в виде изделий

термический процесс после сорти-

ровки не попадают, но в небольших количествах могут входить в

состав макулатуры, синтетических и других материалов), предотв-

ращение золоуноса с газами представляется важным

преиму

ществом

процесса газификации (по сравнению с охарактеризованными выше

традиционными термическими технологиями);

Температура в зоне газификации составляет 1200°С, что обеспе-

чивает полное разложение опасных органических соединений (в том

числе диоксинов и фуранов) до безвредных и нейтральных. Необхо-

димо отметить, что существует два основных пути образования ди-

бензодиоксинов и дибензофуранов: первичное образование в терми-

ческом процессе при температурах 300-600°С и вторичное образо-

вание на стадии охлаждения дымовых газов при температурах от

250 до 450°С (реакции их образования происходят на поверхности

частиц летучей золы в присутствии соединений хлора при катализе

соединениями железа и меди). Чтобы свести к минимуму вторичное

образование диоксинов, в процессе газификации и в некоторых ва-

риантах охарактеризованных выше технологий реализуют закалку

отходящих газов (их быстрое охлаждение до 150°С). Учитывая ма-

лый золоунос, а также восстановительную атмосферу в реакторе

(выше зоны газификации), можно констатировать, что вероятность

повторного образования диоксинов на поверхности частиц летучей

золы после закалки очень мала. Одновременно восстановительная

атмосфера предотвращает образование оксидов азота.

Прямым следствием названных экологических преимуществ яв-

'740

ляется возможность реализации значительно упрощенной (и менее

дорогой) по сравнению с традиционным слоевым сжиганием ТБО

газоочистки. Еще одна возможность упрощения и снижения стоимос-

ти газоочистки состоит

очистке синтез-газа на выходе из реактора га-

зификации (его объем составляет 1000 м

/т отходов, что

4-5 раз мень-

ше объема отходящих газов при традиционном слоевом сжигании).

20.3. Термические методы переработки ТБО при

температурах выше температуры плавления шлака

Основными недостатками традиционных методов термической

переработки ТБО являются большой объем отходящих газов (5000-

6000 м

на

т отходов) и образование значительных количеств шла-

ков (около 25% по массе или не менее 10% по объему), которые отли-

чаются повышенным содержанием тяжелых металлов и по этой при-

чине находят лишь ограниченное применение (в основном, в каче-

стве пересыпного материала на свалках). Для использования

строй-

индустрии эти шлаки должны быть обезврежены. Основным спосо-

бом обезвреживания шлаков является их плавление (в электропечах,

печах с газовыми или мазутными горелками и пр.) с последующим

остекловыванием. В остеклованной форме токсичные вещества на-

ходятся в изолированном состоянии и не вымываются из шлака пос-

ле 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 направле-

ниях. В соответствии с одним из них с помощью сортировки сокра-

щают по сравнению с общей массу ТБО, направляемых на терми-

ческую переработку, одновременно оптимизируя ее состав (с точки

зрения гомогенизации, повышения и стабилизации теплотворной

способности, снижения содержания вредных и балластных компо-

нентов и по ряду других показателей). По другому направлению со-

вершенствуют собственно термический процесс (замена части дуть-

евого 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: температу-

ра в процессе газификации повышается до 1400-2000°С, что одно-

временно приводит к образованию расплава шлака).

Для получения шлаковых расплавов непосредственно в процессе