21.01.2003 11:40
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.
╘ Промышленная экология, 1998...2002
Отходы свеклосахарного производства как покрывало для полигонов ТБО
добавить ресурс
.gif){kind=small}
Переработка мусора:
ТБО и другие проблемы современности:
© Дизайн Студии РОМАрт, 2004.