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

Подождите немного. Документ загружается.

'751

Однако теплотехнические свойства топлива, получаемого этими

странами, различны. В США стремятся получить высококачествен-

ное топливо (далее — продукт), что связано с высокими капита-

ловложениями, а Великобритания создает простые дешевые спосо-

бы получения продукта низкого и среднего качества. В то время как в

США экономичными являются установки производительностью

от

1 ООО

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 пра-

вило, при изготовлении продукта не ограничиваются измельчением

и сепарацией,

применяют

аппараты

для разделения (различные сига,

воздушные, баллистические

другие виды сепаратов) и агрегаты для

уплотнения, позволяющие гранулировать и брикетировать сырье.

Полученное таким способом топливо удобно складировать и транс-

портировать.

Выбор способа получения продукта в значительной степени за-

висит от вида отходов, их состава, а также последующего способа

использования синтетического продукта. Естественно, что по мере

усложнения процесса получения продукта возрастают капиталовло-

жения 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 допол-

нительного 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 провес-

ти ряд сравнений угля и продукта. Следует учитывать свойства топ-

лива: теплоту сгорания, химический состав, включая N, S, F и Cl,

состав золы, шлака и температуры их плавления. Величины теплоты

сгорания, характеризующие продукт, разнообразны, но аналитичес-

кие данные оценки 223 проб (479 т) свидетельствуют, что они нахо-

дятся в пределах 5300-7700 кДж/кг.

'752

Примером простейшей схемы приготовления и применения RDF

может служить установка в Бирменгеме (Великобритания), постро-

енная фирмой "Imperial Metal Industries" (IMI). Теплота сгорания

получаемого на ней топлива сопоставима с таковой неподготовлен-

ных отходов и составляет около 2200 ккал/кг. На установке IMI ТБО

загружают

приемный бункер, откуда транспортером подают

мель-

ницу производительностью 15 т/ч системы Tollemach, где отходы

размельчают до максимального размера 15 см (80 % дробленых от-

ходов имеют размер менее 5 см). Далее из дробленых отходов отде-

ляют черные металлы. Подготовленные таким образом отходы заг-

ружают в закрытые контейнеры и перевозят автотранспортом в ко-

тельную, расположенную на расстоянии 1 км от установки подго-

товки отходов.

Доставленные к котельной подготовленные отходы из контейне-

ров 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 обще-

го расхода топлива (по тепловой нагрузке). Как показал опыт, не-

смотря на увеличение содержания летучей золы в дымовых газах,

перегрузки электрофильтров не наблюдается. Капитальные вложе-

ния 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 закономер-

ностей их пирогенетического разложения (пиролиза), поэтому впос-

ледствии понятием пиролиз были объединены все системы, обеспе-

чивающие комплексную энерготехнологическую переработку- отхо-

дов. В теплоэнергетике термохимические методы использования топ-

лива разделяют в зависимости от условий процесса на пиролиз, га-

зификацию и двухступенчатое сжигание.

В наиболее общем случае при пиролизе отходов протекают свя-

занные между собой процессы сушки, сухой перегонки (пиролиза),

газификации и горения коксового остатка, а также взаимодействия

образующихся газообразных продуктов.

Сухой перегонкой (пиролизом) отходов принято называть про-

цессы термического разложения топлива без доступа окислителя. Для

процессов пирогенетического разложения отходов характерно стехи-

ометрическое уравнение, подобное уравнениям химических реакций:

75 3

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 соста-

ва сырья. Особое влияние на процесс оказывают скорость нагрева-

ния и температура, с повышением которых значительно увеличива-

ется выход газа (растет содержание водорода) и жидких продуктов.

Выделение газообразных веществ заканчивается при температурах

1000-1100°С. Теплотворная способность газов - 11180-13040 кДж/м

Конденсирующаяся из парогазовой фазы жидкость содержит около

70-80% воды, деготь, нерастворимые масла, уксусную кислоту, ме-

танол

другие органические вещества.

Ее

теплотворная способность

изменяется от 2330 до 4660 кДж/кг. Твердый продукт имеет тепло-

творную способность 25630-27960 кДж/кг беззольного вещества.

В результате газификации углерод твердого остатка под воздей-

ствием окислителя (воздуха, кислорода или водяных паров) превра-

щается 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 + O

= 2СО (при неполном горении)

С + O

= CO

(при полном горении),

+ С

2СО.

При паровом дутье происходят следующие реакции образования

водяного газа:

С + Н

0 = С0 + Н

С+2Н

0=С0

+2Н

+ С = 2 СО,

= СО+ H

При реагировании с коксом смеси воздуха (или кислорода) и во-

дяного пара образуется так называемый смешанный или паровоз-

душный газ; в этих условиях протекают все вышеуказанные хими-

ческие реакции. Перечисленные реакции являются суммарными: в

'754

действительности механизм реагирования при пиролизе отходов зна-

чительно более сложен.

В настоящее время известно более 50 систем пиролиза отходов,

отличающихся друг от друга видом исходного сырья (отходов), тем-

пературой процесса и конструктивными решениями технологичес-

кой схемы переработки сырья.

В основу классификации пиролизных установок положен темпе-

ратурный уровень процесса, поскольку именно температурой

реак-

торе определяется выход и качество продуктов пиролиза отходов того

или иного состава. В соответствии с этим различают три разновид-

ности пиролиза: низкотемпературный (450-550°С), характеризую-

щийся минимальным выходом газа, максимальным количеством

смол, масел и твердых остатков; среднетемпературный (до 8OO

C),

при котором увеличивается выход

газа,

уменьшается количество смол

и масел; высокотемпературный (свыше 800°С), отличающийся мак-

симальным выходом газов и минимальным количеством смолооб-

разных продуктов.

Высокотемпературный пиролиз имеет ряд преимуществ по срав-

нению с другими методами: он обеспечивает более интенсивное пре-

образование исходного продукта; скорость реакций возрастает с уве-

личением температуры по экспоненте, в то время как тепловые поте-

ри возрастают линейно; расширяется промежуток теплового воздей-

ствия на отходы, происходит более полный выход летучих

проду к-

тов; 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 стремят-

ся 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 за-

висимости от схем организации процесса (прямоточная, противоточ-

ная), конструктивного оформления и принципа действия реактора

(шахтный, барабанный, плазменный), вида дутья (воздушное, кис-

лородное, паровое). Системы с твердым шлакоудалением отличают-

ся, кроме того, наличием или отсутствием процесса газификации

коксового остатка, характером подвода тепла к слою перерабатывае-

мых отходов (внешний и внутренний нагрев).

В настоящее время разработана эксплуатирующая нестандартное

'755

оборудование

установка

высокотемпературною

пиролиза

производитель-

ностью 800 кг/ч перерабатываемых ТБО. Основными ее узлами явля-

ются реактор, представляющий шахтную печь со встроенной внутри

швелынахгой, и система эвакуации газов, позволяющая избежать сме-

шения пиролизных и дымовых потоков. Отходы загружают в верхнюю

часть реактора с тремя затворами шиберного типа. Под действием соб-

ственной

массы

отходы опускаются через швелынахту

нижнюю часть

реактора, куда подают подогретый до 800°С воздух. Пиролиз отходов

осуществляют

швелыиахте, получаемые газообразные продукты отво-

дят через ее верхнюю часть в конденсатор. В конденсаторе выделяют

влагу и смолу. Часть пиролизного газа отбирают для подачи в горелки

воздухоподогревателя и

горелки реактора. Углеродистый остаток про-

цесса пиролиза отходов сгорает при TeNffleparype 1600°С, достаточной

для плавления негорючих составляющих. Расплавленный шлак выво-

дят

в шлаковую

ванну. Омывающие швелынахту

дымовые

газы направ-

ляют

воздухоподогреватель,

а затем

через систему газоочистки выбра-

сывают в атмосферу.

По тракту дымовых газов за системой газоочистки установлен

автоматический газоанализатор, воздействующий через систему ре-

гулирования на дроссельные заслонки, установленные на линиях

уходящих дымовых и пиролизных газов. При появлении в потоке

дымовых газов продуктов неполного сгорания открывается дроссель-

ная заслонка на линии пиролизного газа и прикрывается заслонка

на линии дымовых газов. Таким образом, в линию пиролитического

газа подают минимум балластных продуктов полного сгорания, на-

правляемых в дымоход.

Вопросы для повторения

1. Как классифицируют методы термической переработки ТБО?

2. Исходя из каких факторов выбирают конкретную технологию тер-

мической переработки ТБО?

3. К чему сводятся недостатки и преимущества терхмической перера-

ботки ТБО?

4. В чем заключается сущность слоевого сжигания ТБО?

5. Каковы требования к колосниковым решеткам?

6. Как устроены основные типы колосниковых решеток?

7. В чем состоят сущность и назначение основных конструктивных

решений системы "топка — колосниковая решетка"?

8. Каковы преимущества колосниковых решеток и недостатки слое-

вого сжигания ТБО?

'756

9. Чем определяется тепловая мощность топки?

10. В чем состоит существо технологии "Пироксэл"?

11. Каковы преимущества сжигания ТБО в кипящем слое и разно-

видности последнего?

12. К чему сводится сущность газификации ТБО?

13. Что используют в качестве теплоносителя при сжигании ТБО в

кипящем слое, при газификации ТБО?

14. В чем состоят экологические преимущества газификации ТБО?

15. Как сократить объем отходящих газов при термической перера-

ботке ТБО?

16. В чем смысл термообработки ТБО в слое шлакового расплава?

17. Что представляют собой комбинированные процессы термообра-

ботки ТБО?

18. Каковы сущность и разновидности пиролитической переработки

ТБО?

Глава 21. Выработка и использование тепловой и

других видов энергии на мусоросжигающих заводах

Основные предпосылки и факторы сравнения технологических

схем утилизации тепла МСЗ.

Уже сегодня

теплота сгорания

ТБО

ряда

городов

СНГ

достигает 7500-8400 кДж/кг (1800-2000 ккал/кг), что со-

поставимо с низкосортным топливом, например, фрезерным торфом —

8600 кДж/кг (2030 ккал/кг) и сланцем — 9630 кДж/кг (2300 ккал/кг).

Следует также отметить, что теплота сгорания отходов постоянно

возрастает. Так, для типичного американского города уже в 1990 г.

она достигала 2800 ккал/кг. В Европе этот прирост еще более суще-

ствен.

Значительное количество промышленных отходов подлежит лик-

видации путем сжигания. При этом следует считаться с тем, что кап-

затраты на строительство МСЗ с выработкой энергии неизмеримо

выше, чем таковые

на

котлоагрегаты, работающие

на

природном топ-

ливе. Однако необходимо учитывать то, что топливная составляю-

щая расходов традиционных энергетических установок составляет

60-70%, в то время как для мусоросжигающих котельных она неве-

лика. Это особо существенно

настоящее время при гипертрофичес-

ком росте цен на энергоресурсы. Тем не менее необходимость строи-

тельства МСЗ, помимо соображений получения тепла, определяется,

во-первых, санитарно-гигиеническими соображениями, во-вторых,

'757

отсутствием свободных земельных площадей в городах для разме-

щения мусороизолирующих полигонов. Для мусоросжигания возмо-

жен выбор технологии и установки с утилизацией тепла или тако-

вых без утилизации тепла.

В качестве критерия сравнительного сопоставления рассматри-

ваемых вариантов наиболее предпочтительна удельная стоимость

сжигания 1 т отходов. К факторам, влияющим на выбор технологи-

ческой схемы утилизации тепла уходящих дымовых газов, следует

отнести производительность установки, теплоту сгорания ТБО, воз-

можную продолжительность использования тепла, стоимость отпус-

каемой тепловой энергии и величину капзатрат на строительство

МСЗ.

Известно,

что

удельная стоимость обезвреживания отходов умень-

шается с ростом производительности МСЗ. Однако при этом возрас-

тают транспортные расходы по доставке ТБО. Следовательно, необ-

ходим выбор оптимального соотношения между этими затратами. В

настоящее время теплота сгорания ТБО крупных городов СНГ в за-

висимости от времени года, климатических условий, степени благо-

устройства и других показателей составляет ~ 1200-1600 ккал/кг.

Исследования последних лет показали, что к 2000 году этот пара-

метр может составить около 1900-2100 ккал/кг.

Возможность использования тепла, получаемого при мусоросжи-

гании, зависит от местных условий. Одним из требований эконо-

мичной работы

МСЗ является по

возможности равномерный и кругло-

годичный сбыт производимой энергии, что связано с необходи-

мостью ее невысокой стоимости, надежности

отпуска

и соответствия

уровня выработки уровню спроса.

Накопленный опыт показывает, что в настоящее время надеж-

ность работы МСЗ достигла уровня обычных энергетических уста-

новок со слоевым способом сжигания, работающих на традицион-

ных видах топлива.

Получаемый

при

сжигании отходов пар желательно использовать

для централизованного теплоснабжения или в перегретом состоянии

направлять для получения электроэнергии.

При

удачном выборе пло-

щадки для строительства даже небольшие и средние по производи-

тельности МСЗ имеют постоянных потребителей энергии.

Сезонности потребления энергии различными предприятиями

удается избежать при комбинированном снабжении нескольких раз-

нородных потребителей (см. табл.

IV. 10).

Таким образом, правиль-

'758

ный выбор

потребителей позволяет

добиться

круглогодичного исполь-

зования производимой энергии

предусмотреть остановки

МСЗ

толь-

ко для целей ремонта и профилактики.

Верхний предел возможной продолжительности работы мусоро-

сжигающей установки при достаточно эффективном ее оборудова-

нии и наличии резервных мощностей может достигать 8000 час/год.

Известно, что себестоимость тепловой энергии складывается из

замыкающих затрат на топливо, на сооружения теплогенерирующих

установок и на тепловые сети. Тепловая энергия не может транспор-

тироваться на большие расстояния, ее вырабатывают на месте ис-

пользования, в связи с чем даже крупные системы теплоснабжения

имеют локальный характер. Поэтому затраты на теплоэнергию из-

меняются в широких пределах в зависимости от конкретных мест-

ных условий.

Замыкающие затраты на тепловую энергию и ее стоимость зави-

сят от целого ряда факторов, в частности, от района ее получения,

производительности котельной, числа часов использования макси-

мальной нагрузки, возможности комбинированной выработки элек-

трической и тепловой энергии на ТЭЦ, производительности турбо-

Таблица

IV. 10

Классификация потребителей энергии мусоросжигательных заводов в

зависимости от ее вида

Вид отпускаемой энергии

Тепло

Холод

Электроэнергия

1 2

1. Отопление, вентиляция

и горячее водоснабжение

жилых районов

1. Кондиционирование жилых

помещений, учебных,

административных и других

зданий

1. Отпуск пара на

электростанцию

2. Сушка осадков

сточных вод и шламов

2. Холодильные установки

для пищевых, промышленных

и других предприятий

2. Производство

энергии для

собственных нужд

3. Открытые и закрытые

плавательные бассейны,

бани и прачечные

3. Установки для получения

искусственного льда

3. Комбинированное

производство

тепловой и

электрической

энергии

4. Промпредприятия

(бумажные и текстильные

фабрики ит п.)

'759

генераторов, вида вспомогательного топлива (уголь, газ, мазут) Сто-

имость тепловой энергии, отпускаемой с МСЗ, соответствует тари-

фу, действующему в рассматриваемом районе.

Определение капзатрат

на

строительство МСЗ вызывает наиболь-

шие трудности. Опыт строительства МСЗ в нашей стране весьма

ограничен. Зарубежные данные по капзатратам на сооружение МСЗ

сильно отличаются друг от друга. Особенно трудно предвидеть соот-

ветствующие затраты

нашей стране, когда цены на материалы, обо-

рудование и рабочую силу постоянно меняются.

Капзатраты на строительство МСЗ зависят от мощности агрега-

тов, типа газоочистного оборудования, системы подготовки и хране-

ния отходов, вида и качества тепловой энергии, получаемой при сжи-

гании отходов, географического расположения завода, превалирую-

щих экономических условий, количества соответствующих агрега-

тов, наличия резервных мощностей и других факторов.

Использование тепла МСЗ в системах теплоснабжения. Сте-

пень экономичности МСЗ, как отмечено выше, зависит от продол-

жительности утилизации вырабатываемого тепла. Улучшение этого

показателя может быть достигнуто путем подключения МСЗ в цикл

квартальной котельной или ТЭЦ.

При подключении к квартальной котельной тепловая энергия,

получаемая на ней за счет сжигания природного топлива, заменяет-

ся тепловой энергией, получаемой от сжигания ТБО. При этом вы-

рабатываемое

на МСЗ

тепло используется

течение всего года,

един-

ственным дополнительным расходом является прокладка теплотрас-

сы от МСЗ до квартальной котельной, если последняя находится на

значительном расстоянии от него.

Возможен и другой вариант, когда МСЗ находится вблизи ТЭЦ.

В этом случае, очевидно, более рациональным является подключе-

ние МСЗ в цикл ТЭЦ. Однако использование такой схемы связано с

некоторым ухудшением эффекта работы ТЭЦ, где из-за снижения

КПД турбогенератора растет удельный расход топлива на выработку

электроэнергии. С другой стороны, за счет замещения ТБО необхо-

димого для выработки тепловой энергии природного топлива имеет

место экономия последнего, превышающая расходы топлива, связан-

ные с выработкой электроэнергии.

Существенное влияние на экономичность комбинированного та-

ким образом МСЗ имеют начальные параметры вырабатываемого

пара. Чем выше эти параметры, тем экономичнее работает мусоро-

сжигательная ТЭЦ. В случае, если МСЗ включен в цикл городской

'760

ТЭЦ, следует стремиться, чтобы пар, вырабатываемый МСЗ, соот-

ветствовал начальным параметрам пара, на которых работает турбо-

генератор ТЭЦ.

Выбор варианта включения МСЗ в схему теплоснабжения.

Вопрос о выборе варианта включения МСЗ в схему теплоснабжения

зависит, в первую очередь, от конкретных местных условий: распо-

ложения МСЗ и его удаления от ТЭЦ, паровых и водяных магистра-

лей; схемы, оборудования и компоновки МСЗ; мощности и парамет-

ров ТЭЦ и

МСЗ; вида

тепловых потребителей и других обстоятельств.

Если МСЗ будет удален от ТЭЦ, то площадку под него следует

выбирать возможно ближе к паропроводам, идущим от ТЭЦ к про-

мышленным потребителям. В этом случае реальна возможность по-

дачи пара требуемых параметров от МСЗ в паропровод с целью ча-

стичной замены пара от ТЭЦ.

При невозможности непосредственного использования пара от

МСЗ для выработки электроэнергии

или

удовлетворения нужд паро-

вых потребителей можно применять схемы с использованием пара

от МСЗ для подогрева сетевой воды на нужды теплоснабжения.

Использование тепла МСЗ для выработки электрической

энергии. Одним из возможных способов повышения продолжитель-

ности использования тепла, получаемого при мусоросжигании, яв-

ляется выработка электрической энергии. Однако при таком реше-

нии возникает необходимость дополнительных капитальных и эксп-

луатационных расходов, связанных с необходимостью строительства

и эксплуатации машинного зала, электросетей, распределительного

устройства и т. д.

За рубежом все большее распространение получают мусоросжи-

гательные ТЭЦ (МСТЭЦ), особенно таковые, обслуживающие реги-

оны с крупными жилыми массивами.

Анализ ситуации, сложившейся в России и других странах СНГ,

позволяет предполагать, что здесь также в ближайшей перспективе

строительство МСТЭЦ станет реальной необходимостью.

Использование тепла МСЗ для холодильных установок и си-

стем кондиционирования воздуха. До недавнего времени энергию,

получаемую на мусоросжигательных заводах, для холодильных ус-

тановок и систем кондиционирования воздуха не использовали. Изу-

чение имеющихся перспектив

в этом

направлении показало, что имен-

но здесь открываются возможности утилизации тепла МСЗ в летнее

время. У крупных потребителей "холода" наметилась возможность

его широкого использования, особенно в летнее время.