Технологии
переработки твёрдых бытовых отходов.
В настоящее
время в мировой практике реализовано более десятка технологий переработки
твердых бытовых и промышленных отходов (ТБПО). Наиболее распространенными среди
них являются термические способы. Анализ этих технологий показал, что они
обладают рядом недостатков, основным из которых является неудовлетворительная
экологическая чистота. Она связывается в последние годы главным образом с
отходами, содержащими хлорорганические вещества и (или) выделяющие другие
высокотоксичные органические соединения (фураны, диоксины и тп.).
Диоксинообразующими компонентами ТБПО являются такие материалы как картон,
газеты, пластмассы, изделия из поливинилхлорида и т.п.
Самой
распространённой среди них является технология сжигания в слоевой топке на
колосниковых решётках (Приложение 1).
Сжигание
отходов в топках с псевдосжиженным слоем широко распространено в Японии. В США
работает технология по сжиганию отходов в циркулирующем псевдосжиженном слое.
Получает
распространение технология предварительного пиролиза и последующего
высокотемпературного сжигания.
Все эти
технологии обладают одним общим недостатком - повышенной экологической
опасностью при бункерном хранении ТБПО, связанной с гниением отходов, с
неравномерностью загрузки печей и, как следствие, с наличием вторичных отходов
По технологиям
сжигания ТБПО на колосниковых решётках при температуре 600-900°С остаётся
25-30% вторичных твёрдых отходов, заражённых высокотоксичными веществами и
требующих, в свою очередь, обезвреживания или специального захоронения. Кроме
этого, при сжигании отходов при указанной температуре и медленном нагреве идет
интенсивное образование диоксинов и ПАУ как в процессе сжигания отходов, так и
в процессе охлаждения газов, где главную функцию синтеза и их транспортировки
выполняют аэрозоли сажи. В результате этого происходит загрязнение окружающей
среды на расстоянии до 30 км и, как правило, (из зарубежной практики) заводы по
переработке ТБПО закрываются (Нидерланды, Голландия, Польша и т.д.) или
переводятся на дорогостоящую систему очистки газов с помощью угольных фильтров
и специальных катализаторов окисления окислов азота, ПАУ и диоксинов.
Технологии по
сжиганию отходов в топках с псевдосжиженным слоем и в циркулирующем
псевдоожиженном слое не решают проблему утилизации и обезвреживания твёрдых
остатков - шлака, и особенно летучей золы.
Сжигание ТБПО
по технологии "Пиролиз и высокотемпературное сжигание" сложно аппаратурно
как на стадий пиролиза и сжигания отходов, так и на стадии газоочистки.
Технология
переработки отходов в печи Ванюкова при всей сложности системы газоочистки
малоэффективна в смысле осаждения аэрозолей, а, следовательно, и образования
диоксинов, т.е. не гарантирует необходимую экологическую обработку. Плавильная
печь капиталоемкая и сложна в эксплуатации.
Из сказанного
видно, что основополагающим при переработке ТБПО является проблема образования
диоксидов.
Есть основание
предполагать, что при обычном способе сжигания мусора в газовом тракте снова
образуются токсичные соединения (диоксины, полиароматические углеводороды (ПАУ)
и т.д.), где главную функцию синтеза и транспортировки выполняют аэрозоли сажи:
а) образование
синтезгаза С + Н2О = СО + Н2;
б) гетерогенный
каталитический синтез органических соединений на поверхности аэрозолей сажи;
в) сорбция
продуктов синтеза на поверхности сажи.
СО + Н2
+ НС1 = ПАУ, диоксины и т.д.
На 1см2
сажистой аэрозоли могут разместиться приблизительно 1014 молекул ПАУ и
диоксинов. В 1 м3 отходящих газов могу находиться десятки миллионов
частиц сажи с общей поверхностью больше 100м2. На такой поверхности
может разместиться больше 1020 молекул ПАУ и диоксинов. Улавливание
сажистых аэрозолей крайне сложная и дорогостоящая задача.
Именно поэтому,
вокруг даже самых лучших сжигателей, полностью удовлетворяющих требованиям НЕС,
создаётся отравленная загрязненная зона. Она очень ярко выражена в радиусе до
1,5 км вокруг трубы сжигателя, а при его многолетней работе эта зона охватывает
до 30 км. В ближней зоне выпадают наиболее крупные аэрозольные частицы, а более
мелкие распространяются на десятки километров.
Согласно
Нормативам Европейского Союза (НЕС) геометрия горячей зоны сжигателя должна
обеспечить пребываете газов в зоне с температурой не ниже 850°С в течение не
менее 2 секунд (правило 2 секунд) при концентрации кислорода не менее 6%.
Следует
отметить, что это очень жесткое требование и выдержать его непросто. Особенно
трудно добиться высокого содержания кислорода в зоне горения. При этом следует
иметь в виду, что требование 2 секунд подразумевает, что концентрация диоксинов
в отходящих газах должна быть приемлемой для их очистки до регламентируемых 0,1
нг/м3 (при 11% кислорода в газах). При этом предполагается, что
степень очистки будет не ниже "шести девяток", т.е. 99, 9999%. Однако
при этом не учитывается особое свойство диоксинов - способность к повторному
синтезу в холодной зоне.
Реально снижают
содержание диоксинов в отходящих газах только угольные фильтры, на которых диоксины
необратимо связываются, а также специальные каталитические дожигатели,
объединённые с дожиганием НОХ. Именно в силу трудностей их улавливания очистные
сооружения современных заводов стоят очень дорого.
Опыт
переработки ТБПО термическими методами и многочисленные публикации позволяют
сделать следующие выводы:
- медленный
нагрев ТБПО и осуществление процесса сжигания на уровне 600-900°С при
недостатке кислорода благоприятствуют интенсивному образованию сажистых
аэрозолей и органических соединений;
- температуры
порядка 1400°С, окислительная среда (> 11 об.% 02) и высокая
степень пиролиза (до пирофорного состояния) обеспечивают высокую скорость
горения продуктов пиролиза, что исключает образование сажистых частиц и,
следовательно, диоксинов и ПАУ.
Выполнение
таких условий реализуется в разработанной НИИЦ технологии сжигания отходов в
циркулирующем шлаковом расплаве (Приложение 2) на воздушном дутье в газлифтном
режиме. Попадая в объем циркулирующего расплава при кратности 1:100, материал
подвергается быстрому пиролизу за счет теплового удара и полностью сжигается
при избытке кислорода при температуре 1500-1600°С в газлифтной зоне. Зона
термической обработки материала в объеме расплава достигает 5 и более метров.
Технологическая
схема сжигания ТБПО (Приложение 3) обеспечивает эффективность разложения
диоксинов на всех стадиях переработки отходов, что решается следующим образом:
повышение
содержания кислорода в отходящих газах до 10%;
принятием
экологически чистого способа хранения отходов в барабанах - дозаторах;
сжиганием
отходов на воздушном дутье при а > 1.1 с дожигом продуктов разложения в
верхних слоях газлифтного слоя с помощью вертикальной кислородной фурмы;
сжиганием
предварительно подсушенных и измельчённых отходов под слоем расплава при
следовании ТБО в
объеме расплава
на расстоянии 5м (2м в нисходящей зоне и 3м в газлифтном);
замена
экологически ненадежной громоздкой системы очистки отходящих газов после
сжигания отходов, фильтрацией их через взвешенный слой отходов в процессе
измельчения и сушки;
экологически
чистой, высокоэффективной очистки отходящих газов после сушки и измельчения в
циркулирующем кипящем слое и на ротоклоне;
снижение объема
отходящих газов за счет конденсации из них 60% воды.
При данной
технологии легколетучие металлы (например, ртуть и т.п.) при избытке кислорода
улавливаются в виде окислов перед подачей на сушку или в процессе сушки. Цинк и
другие тугоплавкие металлы аккумулируются и удаляются со шлаком в виде окислов.
Транспортировка,
приемка и хранение отходов
Вместо традиционного
бункерного хранения неподготовленного сырья предусматривается хранение
предварительно отсортированных от металлолома и высушенного ТБПО (до 10% влаги)
во вращающихся вентилируемых барабанах с объемом, обеспечивающим их 1 - 2-х
суточный запас. Сушка отходов в процессе измельчения на роторных молотковых
мельницах облегчает процесс их последующего сжигания. В табл.1 приведены
показатели технологии утилизации ТБПО в условиях газлифтного вспененного
расплава шлака.
Сжигание
подготовленных отходов
Согласно
теоретическим и практическим предпосылкам, накопленным мировой практикой,
основными условиями, обеспечивающими экологически эффективное (без образования
ПАУ и диоксинов) сжигание ТБПО, являются два условия:
предварительная
газификация ТБПО;
сжигание газов
без образования аэрозолей сажи.
Газификация
топлива эффективнее всего проходит под шлаком, когда нагревание сырья до
высоких температур (около 1500°С) происходит практически мгновенно (~0,1 с).
Сжигание газов
наиболее эффективно происходит при высоких температурах (свыше 1000°С) и
избытке кислорода (1.1).
Все эти
требования в наших условиях выполняются за счёт сжигания подготовленных ТБПО в
шлаковом вспененном расплаве на обогащенном кислородном дутье в особом
газлифтном режиме.
Таблица 1
Показатели технологии утилизации ТБПО
№№
п. п.
Наименование показателей
Единица измерения
Значение показателя
1
2
3
4
1.
Количество перерабатываемых
отходов(W=40%)
т/год
т/час
140.0
17. 7
2.
Расход технического кислорода
нм3/ч
442.5
3.
Состав образующегося шлака:
%
- оксид железа
-
15.38
- оксид кремния
-
50.72
- оксид алюминия
-
15.56
- оксид кальция
-
7.81
- оксид магния
-
3.93
- оксид магния
-
0.81
- цинк
-
0.17
- свинец
-
0.06
- медь
-
0.83
- сера
-
0.12
- прочие
-
4.51
4.
Количество отходящих газов поступающих
на конденсацию
нм3/ч
29736.0
Температура газов
°С
1600
5.
Количество газов (после сушки)
нм3/ч
22700.0
Температура газов после сушки
°С
200
6.
Количество отходящих газов на печь
кипящего слоя
нм3/ч
22700.0
7.
Состав отходящих на выброс газов: -
оксид углерода (СО2)
%
17.76
- вода
-
25.0
- диоксид серы
-
0.08
- азот
-
48.4
- кислород
-
10.0
8.
Площадь газлифтной установки
м2
5.0
9.
Площадь печи с циркулирующим кипящим
слоем
м2
5.0
10.
Расход условного топлива на дожит
отходящих газов в кипящем слое
кг/ч
600.0
Соотношение
жидкого шлака поддерживается на уровне 100 т на 1 т загружаемого материала. В
этой же зоне за счёт подачи в нисходящий поток шлака кислородного дутья идут
одновременный пиролиз, и конверсия органической части ТБПО и частичное
окисление продуктов конверсии и пиролиза. Реакции пиролиза и конверсии
завершаются в подфурменной и фурменной зонах. Над вторым рядом фурм, или с
помощью вертикальной кислородной фурмы, начиная с глубины 2,5 м, во вспененном слое
шлака, происходит окисление продуктов конверсии при избытке кислорода. Для
усиления эффекта вспененного слоя в газлифтную зону одновременно с дутьем через
боковые фурмы подаётся дутьё через верхнюю фурму.
Стократный
избыток шлака обеспечивает интенсивное разрушение органической части мусора за
счёт теплового удара.
Горючие
продукты подвергаются термическому разложению (пиролизу):
СnНm
= nС + m/2Н2;
и конверсии:
СnHm
+ Н2О = СО + СО2 + Н2;
Термический
пиролиз и конверсия идут с поглощением тепла. С поглощением тепла идут и
вторичные реакции:
3С + 4Н2О
= 2СО + СО2 + 4Н2;
Для поддержания
теплового баланса в зоне загрузки и ускорения приведенных выше реакций, в эту
зону подается кислород для обеспечения окислительного пиролиза:
СnНm
+ O2 = СО + Н2;
Все эти реакции
ускоряются раскалённой поверхностью шлака, которая обладает каталитической
активностью. В качестве катализатора выступает и высокоразвитая поверхность
сажи, выделяемая при разложении углеводородов, образующихся в процессе пиролиза
органической части отходов по реакции:
СnНm
= nС + m/2Н2;
В присутствии
сажистых частиц в газовом пузыре (до десятков миллионов частиц на 1см),
например, самый устойчивый метан полностью разлагается за 1,5 секунды.
В связи с
вышесказанным, наиболее медленная стадия процесса сжигания отходов - стадия
газификации органической части ТБПО, с высокой эффективностью протекает в
объеме циркулирующего шлака при условии:
реализации
окислительного пиролиза;
продолжительности
пребывания отходов в объеме шлака более 4 секунд за счет транспортировки
материала на расстояние 5 и более метров;
Газоочистка
отходящих газов
С целью
повышения эффективности процесса газоочистки, при одновременном и значительном
упрощении его аппаратурного оформления, за основу был принят способ очистки
отходящих газов исходным сырьем (Приложение 3).
Уровень
правовой охраны
Предлагаемый к
реализации проект “ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ БЫТОВЫХ И
ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ” защищен патентами Российской Федерации:
Патент РФ
№2087820 от 17.11.87г.;
Патент РФ №
2111275 от 16.07.96г.;
Патент РФ
№1819434АЗ от 17.11.87г.;
Патент РФ
№21009215 от 11.01.95г.;
Патент РФ
№2122155 от 25.06.97г.
Степень
готовности
Выполнен
рабочий проект опытно-промышленного завода по переработке ТБПО для города
Зеленогорск Красноярского края производительностью 100 тыс. тонн в год.
Список
литературы
Для подготовки
данной работы были использованы материалы с сайта http://www.promeco.h1.ru/l