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

Подождите немного. Документ загружается.

'741

термической переработки ТБО необходимо обеспечить температуру

выше температуры плавления шлаков (около 1300°С), что требует,

как правило, либо использования кислорода, либо подвода дополни-

тельной энергии. Замена части дутьевого воздуха на кислород одно-

временно обеспечивает снижение количества отходящих газов.

В настоящее время

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 исполь-

зованием в качестве газифицирующего агента кислорода (темпера-

тура процессов 1400-2000°С);

металлургические процессы:

- процесс сжигания при температуре 1350-1400°С в слое барбо-

тируемого шлакового расплава с использованием кислородного ду-

тья (процесс Ванюкова, предложенный для переработки ТБО);

- термический процесс при температуре 1400-1500°С с исполь-

зованием электрошлакового расплава;

-доменный процесс при температуре 2000°С;

плазменные технологии.

Сжигание в слое шлакового расплава. Наиболее очевидным

способом повышения температуры сгорания отходов является умень-

шение содержания в используемом окислителе (воздухе) доли инерт-

ного компонента (азота), на нагрев которого расходуется значитель-

ная часть выделяющейся энергии. При этом может быть использова-

но и более простое оборудование для сжигания, например, шлако-

вые ванны, в которых отсутствуют какие-либо движущиеся части.

Вторым значительным преимуществом сжигания в кислороде

является резкое сокращение объема дымовых газов и, следователь-

но, снижение затрат на газоочистку. Кроме этого, сниженная кон-

центрация азота в дутьевом воздухе позволяет уменьшить количе-

ство образующихся при высоких температурах оксидов азота, очис-

тка от которых представляет собой серьезную проблему.

В начале 90-х годов для термической переработки ТБО при тем-

пературе 1350-1400°С предложены металлургические печи Ванюко-

ва (рис. IV-26). Сжигание в них осуществляют в слое находящегося

в ванне печи барботируемого шлакового расплава (образуется из заг-

ружаемых

печь золошлаковых отходов ТЭЦ). Сбрасываемые в ван-

ну ТБО погружаются в интенсивно перемешиваемый вспененный

'742

расплав. Барботаж расплава осуществляют с помощью окислитель-

ного кислородно-воздушного дутья, подаваемого через фурмы

ниж-

ней части боковых стенок печи (ниже уровня расплава), для дожига-

ния дымовых газов предусмотрена подача дутья через ряд верхних

фурм (выше уровня расплава). Минеральная часть отходов раство-

ряется в шлаке, а металлические компоненты расплавляются. Для

получения шлака заданного состава в печь загружают флюс (реко-

мендуется известняк).

Шлак, выпускаемый из печи (непрерывно или периодически) в

сифон, целесообразно подавать

жидком виде на переработку

стро-

ительные материалы. Теоретически в донной фазе должен получать-

ся металл, однако практически в ходе опытных испытаний его полу-

чить не удалось (очевидно, по объективным причинам: относитель-

ное содержание металлов в ТБО невелико, и они могут либо терять-

ся в шлаковом расплаве механически, либо окисляться и снова пере-

ходить в шлаковую фазу).

В случае пониженной теплотворной способности ТБО в качестве

дополнительного источника тепла можно использовать уголь или

Топочные

газы

Дутье

Выпуск шлака 1

Выпуск Дутье

металла

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

'743

природный газ. Производительность печи по твердым отходам —

около 15 т/час.

Процесс Ванюкова предлагают использовать не только для пере-

работки ТБО, но и таковой промышленных отходов (в том числе пу-

тем совместной переработки). Необходимо отметить, что механичес-

кий 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 зат

ека

2-3 часа),

печь имеет короткую (не более одного года) кампанию, при перера-

ботке ТБО имеет место полная и закономерная потеря металлов в

шлаке, создание безинерционной системы автоматического регули-

рования процесса сложно и, соответственно, сложно поддержание

заданной температуры без дополнительного расхода энергии, тепло-

вой КПД печи Ванюкова низок.

Сжигание с использованием электрошлакового расплава.

Для получения шлакового расплава может быть использован элект-

ротермический метод, применяемый, например, при плавке стали в

электропечах.

Наиболее целесообразно использовать электропечи не для пере-

работки исходных ТБО,

для обезвреживания шлаков, образующих-

ся в процессах термической переработки ТБО или их обогащенных

фракций при температурах ниже температуры плавления шлака (вы-

ход 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 элект-

роплавильную печь, выполненную в виде металлического кожуха,

футерованного изнутри огнеупорным кирпичом. Температура жид-

кой шлаковой

ванны

составляет 1400-1500°С. Разогрев шлака

элек-

тропечи 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 высокока-

чественный строительный материал, в частности, из них можно по-

лучать утеплитель с насыпной плотностью от 180 до 250 кг/м

или

'744

пористый заполнитель конструкционных бетонов плотностью до

900 кг/м

(технология основана на гранулировании шлакового по-

рошка с добавками и последующем обжиге гранул во вращающейся

обжиговой печи).

Преимуществами электроплавки шлаков являются отсутствие

необходимости

подачи дутьевого

воздуха, простота поддержания тем-

пературы процесса и получение экологически чистого целевого про-

дукта. 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 гра-

фитовых электродов (10 кг/1000 кВт-ч). Вместе с тем в условиях ра-

боты мусороперерабатывающего завода, производящего из отходов

энергию, большой расход последней на электропереплав решающей

роли не играет.

Таким образом, наиболее подходящим объектом для электропе-

реплавки являются шлаки и, возможно, некоторые отходы сортиров-

ки ТБО.

Сжигание в плотном слое кускового материала и шлаковом

расплаве без принудительного перемешивания и перемещения

материала (доменный процесс).

Для

термической переработки твер-

дых бытовых и промышленных отходов любого состава предложено

использовать шахтные печи (по конструкции аналогичны доменным

печам). Подлежащие переработке отходы смешивают с низкосорт-

ным углем (расход

угля

— 25-30% от количества загружаемых

печь

отходов) и известняком (расход известняка — 30% от количества заг-

ружаемых в печь отходов), загружают сверху в печь и продувают

предварительно подогретым до 1000-1400°С воздухом, обеспечивая

получение

нижней части

печи газов

с температурой

не

менее 2000°С

(воздух подогревают в специальных подогревателях-кауперах, пред-

ставляющих собой металлические футерованные емкости с насад-

кой из керамических элементов в виде шариков из диоксида цирко-

ния или алюминия).

Для переработки 60 тыс. т отходов в год предполагается исполь-

зовать доменную печь объемом 200 м

(высота — 18 м, диаметр гор-

на — 4,25 м). Продукты высокотемпературной переработки, жидкий

металл (чугун) и жидкий расплав шлака без повторного их нагрева

предполагают перерабатывать в изделия. Предполагают также ути-

лизировать тепло отходящих газов с целью производства тепловой и

электрической энергии.

'745

Преимущества предлагаемого процесса перед другими видятся в

его экологической безопасности и высокой рентабельности, возмож-

ности переработки любых отходов с получением товарной продук-

ции 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 многотоннаж-

ных твердых отходов не актуальна.

Серьезным недостатком предлагаемой технологии является не-

обходимость подачи в процесс больших количеств угля и известняка

(следовательно, "необходимость дополнительных складских помеще-

ний и транспортных систем, сложных операций шихтовки материа-

лов, 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 отхо-

дов с высоким содержанием металла). В этой связи технология до-

менного процесса применительно к ТБО вряд ли оправдана (прежде

всего, по экономическим соображениям). Фактически в предлагае-

мом процессе безвозвратно теряются ценные компоненты ТБО (алю-

миний, олово, черный металл), которые можно выделить в самосто-

ятельные продукты при сортировки ТБО. Реализация же получаемо-

го по данной технологии металлического расплава проблематична.

Комбинированные процессы. Комбинированные методы свя-

заны с осуществлением различных сочетаний процессов пиролиза,

сжигания и газификации ТБО.

Пиролиз-сжигание пирогаза и отсепарированного углеродно-

го остатка с использованием необогащенного дутья. В масшта-

бах опытно-промышленной установки испытана технология перера-

ботки ТБО (процесс фирмы "Siemens KWU"), функционирующая по

схеме "пиролиз-сжигание" (рис. IV-27). Эта технология включает из-

мельчение отходов роторными ножницами до размера менее 200 мм;

пиролиз отходов при 450°С

течение

часа во вращающейся бара-

банной печи (4 об/мин), снабженной обогреваемыми внутренними

'746

лопастями (обогрев дымовыми газами с температурой 600°С), с об-

разованием пиролитического газа и пиролитического твердого ос-

татка (смесь углерода и минеральных компонентов); выделение из

пиролитического остатка металлов и минеральных компонентов (кам-

ни, стекло и пр.) грохочением (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 сжига-

ние при небольшом избытке воздуха

угольной 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

турбогенераторе (350-450

кВт

ч/т).

В получаемом на выходе из пиролитического барабана материа-

ле все органические составляющие исходных ТБО превращены в

углеродистый остаток, который отделяют от минеральной части гро-

хочением. Поскольку температура в пиролизной печи (450°С) суще-

ственно меньше, чем в печи сжигания (850°С), в первой из них мно-

гие компоненты ТБО (черные и цветные металлы, стекло и пр.) не

Загрузка Реактор Камера высоко- Котел-ути- Система

отходов пиролиза температурного пизатор газоочистки

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

'747

претерпевают никаких изменений, а лишь очищаются от органичес-

ких загрязнений, что упрощает их выделение

утилизацию. Отделе-

ние 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 эко-

логически безвредного шлака (используется в качестве щебня). Ос-

новные недостатки метода составляют дробление всей массы исход-

ных ТБО и грохочение углеродистого продукта пиролиза, представ-

ляющего собой сажистый, сильно пылящий материал, загрязняю-

щий отделяемые минеральные компоненты (последние переходят в

класс +5 мм). Следует отметить также, что использование барабан-

ной 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 ми-

неральной части. В этом случае, по-видимому, можно будет отка-

заться от операции грохочения пиролитического остатка, которая

сопровождается образованием большого количества трудно улавли-

ваемой угольной пыли, и использовать более эффективную техноло-

гическую схему переработки.

Пиролиз-газификация (получение синтез-газа при совмест-

ной термообработке пирогаза и сепарированного углеродистого

остатка) с использованием обогащенного кислородом дутья. Го-

ловная часть технологической схемы данного метода, разработанно-

го фирмой "Noeir' (рис. IV-28), во многом аналогична схеме, рас-

смотренной

выше в

предыдущем разделе,

и включает

пиролиз дробле-

ных (роторные ножницы) ТБО в барабанной печи при 550°С (в от-

личие от названной предыдущей технологии используется полая ба-

рабанная печь), сепарацию черных и цветных металлов из твердых

продуктов пиролиза (минеральные компоненты от твердого углеро-

дистого остатка не отделяют), тонкое измельчение не содержащего

металлов материала. Продукт последней операции под большим дав-

лением инжектируют в верхнюю часть реактора газификации, куда

'748

Загрузка Пиролиз

отходов

Газификация

Пирогаз

Кислород

Газоочистка

Очищенный син-

Дробление

Черные и цветные

металлы

^fn Гранулиро-

^ ванный шлак

Рис. IV-28. Переработка отходов по технологии фирмы

Noell"

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.

Процесс газификации, т.е. частичное окисление в пламени тех-

ническим кислородом, осуществляют в цилиндрической реакцион-

ной камере, контуры которой ограничены охлаждаемыми водой

трубчатыми стенками. При разложении органических веществ в реак-

торе образуется газ, содержащий СО и H

и свободный от вы-

сокомолекулярных углеводородов.

Температуру реакции устанавливают таким образом, чтобы обес-

печить плавление минеральных веществ, содержащихся в исходном

материале. Расплав стекает по охлаждаемым стенкам реактора

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

'749

форсунки.

Газ

выводят

из зоны

охлаждения с температурой 150-210°С

в зависимости от давления. Шлак отверждают и в форме гранул уда-

ляют 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 сероводоро-

да, 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 ще-

лочных металлов и аммония, следы сероводорода. Эту воду можно

удалить

или

вернуть

процесс после извлечения из нее растворенных

газов и твердых

частиц.

Конденсат, получаемый

при

охлаждении син-

тез-газа, впрыскивают в зону охлаждения.

Синтез-газ может быть либо направлен в процесс синтеза мета-

нола или этанола (из-за нестабильного морфологического состава

ТБО такой способ утилизации малоэффективен), либо на сжигание

в энергоустановках. Затраты на получение кислорода при реализа-

ции этой технологии компенсируются существенным упрощением

отделения очистки дымовых газов (получаемый в процессе синтез-

газ требует простой схемы очистки) и возможностью энергетическо-

го использования синтез-газа.

Пиролиз-газификация (получение синтез-газа при совмест-

ной термообработке пирогаза, углеродистого остатка и минераль-

ной фракции) с использованием обогащенного кислородом ду-

тья. По технологии, разработанной фирмой «Thermoselect» и оха-

рактеризованной на рис. IV-29, исходные ТБО последовательно под-

вергаются дроблению, прессованию и пиролизу при температуре

600°С в печи туннельного типа длиной 15 м. Из пиролизной печи

твердый углеродистый остаток вместе с минеральными компонента-

ми, включая металлы, направляют

реактор газификации вертикаль-

ного типа. В качестве газифицирующего агента используют кисло-

род. Газификация с образованием оксида углерода происходит

ниж-

ней части реактора при контакте углеродистого остатка с кислоро-

дом

Температура при

этом

повышается до 2000°С,

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 под-

вергают очистке.

Очищенный синтез-газ сжигают

утилизацией энер-

гии.

'750

Газоочистка

Га зификация

Загрузка отходов

Ьж

о=я

Пиролиз

600°С

1200°С

\ /

ZXXK

Синтез-

•—I

газ

Очистка воды

Металл Шлак

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

Основными недостатками процесса

"Thermoselect"

считают дроб-

ление всей массы исходных ТБО и отсутствие их предварительной

сортировки, загрязнение синтез-газа летучими тяжелыми металла-

ми (свинец, кадмий, ртуть, олово) и связанное с этим усложнение

газоочистки, проблематичность утилизации металлического расплава.

Слоевое или камерное сжигание специально подготовлен-

ных отходов совместно с природным топливом в топках энерге-

тических котлов. Начиная с середины 70-х годов, за

рубежом

нахо-

дит применение метод совместного сжигания ТБО и энергетическо-

го топлива. Применение такой технологии обеспечивает эффектив-

ное обезвреживание отходов, позволяет экономить до 20% энергети-

ческого топлива и создать условия для стабильной выработки тепла.

Кроме того, исключается необходимость создания новых специаль-

ных дорогостоящих агрегатов для сжигания отходов. Достаточно

произвести реконструкцию уже работающих парогенераторов или

внести изменения в конструкцию серийных агрегатов. Предполага-

ют, 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 дли-

тельное время хранить и транспортировать на относительно боль-

шие расстояния.