Переработка отходов производства и потребления

мические пористые носители. На рис. 7.2 представлены схемы тер­ мокаталитических реакторов.

Рис. 7.2. Схемы термокаталитических реакторов:

а — без теплообменника (для обезвреживания вентиляционных выбросов); б - с ре­ куперативным теплообменником (для обезвреживания инертных газов); в - с реге­ неративным теплообменником; I - слой катализатора; 2 - горелка; 3 - рекупера­ тивный теплообменник; 4 - слой инертного материала; 5 - перекидной клапан; Т - топливо; В - воздух

Современные промышленные катализаторы глубокого окисле­ ния (алюмооксидномедные, алюмомеднохромовые, алюмомеднооксидные) устойчивы при температурах до 600 - 800 °С. При более высоких температурах катализаторы дезактивируются и механиче­ ски разрушаются. Поэтому применение термокаталитического ме­ тода для обезвреживания отходов с высокой концентрацией горю­ чих компонентов нецелесообразно. Разбавление газообразных от­ ходов воздухом или дымовыми газами с целью снижения адиабати­ ческого разогрева приводит к увеличению расхода катализаторов и других затрат на обезвреживание, а отвод избыточного тепла из слоя катализатора существенно усложняет конструкцию и эксплу­ атацию термокаталитических реакторов.

Термокаталитические реакторы не следует применять при большом содержании пыли и водяных паров в газообразных отхо­ дах ввиду их дезактивации. Каталитическое окисление непримени­ мо также для обезвреживания отходов, содержащих высококипящие или высокомолекулярные соединения, вследствие неполного их окисления и забивания поверхности катализатора. Многие хи­ мические элементы (фосфор, свинец, мышьяк, ртуть, сера, галоге­ ны и их соединения и др.) даже в очень малых концентрациях мо­ гут вызывать отравление катализаторов, поэтому каталитическое окисление нельзя применять при обезвреживании отходов, в кото­ рых они содержатся.

Разновидностью термокаталитического окисления является па­ рофазное каталитическое окисление, которое состоит из двух про­ цессов: перевода органических отходов в парогазовую фазу и по­ следующего каталитического окисления их в реакторе. Для перево­ да летучих органических веществ в парогазовую фазу применяют выпарные аппараты, скрубберы-испарители, работающие на подо­ гретом воздухе или топочных газах. Метод парофазного каталити­ ческого окисления характеризуется высокой полнотой окисления летучих органических отходов (99,8%) и большой производитель­ ностью оборудования.

Метод газификации применяется для переработки отходов с получением горючего газа, смолы и шлака. Газификация является термохимическим высокотемпературным процессом взаимодейст­ вия органической массы с газифицирующими агентами, в резуль­ тате чего органические продукты превращаются в горючие газы. В качестве газифицирующих агентов используют воздух, кислород, водяной пар, диоксид углерода и их смеси.

Газификация осуществляется в механизированных шахтных га­ зогенераторах с применением воздушного, паровоздушного и паро­ кислородного дутья. По сравнению с сжиганием метод газифика­ ции отходов имеет следующие преимущества:

*получаемые горючие газы могут быть использованы в каче­ стве топлива;

*получаемая смола может быть использована как топливо или химическое сырье;

*уменьшаются выбросы золы и сернистых соединений в ат­

мосферу.

При газификации с использованием воздушного и паровоздуш­ ного дутья получают генераторный газ с низкой теплотой сгорания 3,5 - 6 МДж/м. Такой газ непригоден для транспортировки и мо­ жет быть использован только на месте получения. При парокисло­ родной газификации получают газ с теплотой сгорания до 16 МДж/м , который можно транспортировать на значительные расстояния.

Процесс газификации пригоден для переработки дробленых сы­ пучих газопроницаемых отходов. Пастообразные и крупногабарит­ ные отходы не могут перерабатываться этим способом.

Пиролиз отходов заключается в термическом разложении отхо­ дов без доступа воздуха. Однако реальные пиролитические процес­ сы, используемые при утилизации отходов, представляют собой термическое разложение при ограниченном поступлении воздуха, поэтому их правильнее было бы назвать частичным пиролизом. В результате пиролиза образуются пиролизный газ с высокой тепло­ той сгорания, жидкие продукты и твердый углеродистый остаток.

При пиролизе органического вещества происходит не только его распад, но и синтез новых продуктов. Эти стадии процесса вза­

имосвязаны и протекают одновременно. Материально-энергетиче­ скую схему пиролиза можно представить следующим образом:

Твердые отходы + Q Твердый остаток + Жидкие продукты + + Газы + Qi,

где Q и Qi - подводимое и выделяемое тепло.

Пиролизом перерабатываются твердые отходы, в том числе от­ ходы пластмасс, резины и др. Нагрузка на окружающую среду при пиролизе меньше, чем при сжигании отходов.

В основу классификации пиролизных установок положена тем­ пература процесса, так как она определяет количество и качество образующихся продуктов. В зависимости от температуры различа­ ют три вида пиролиза:

*низкотемпературный пиролиз, который проводят при 450 - 550 °С с образованием максимальных количеств жидкого продукта и твердого остатка и минимальным выходом пи­ ролизного газа. Газ, образующийся при низкотемператур­ ном пиролизе, обладает максимальной теплотой сгорания;

*среднетемпературный пиролиз, который проводят при тем­ пературе до 800 °С. При этих условиях увеличивается вы­ ход газа, но снижается его теплота сгорания, одновременно снижается выход жидкого и твердого продуктов;

*высокотемпературный пиролиз, который проводят при 900

-1050 °С. При этой температуре выход жидкого и твердого продуктов минимален, а выход пиролизного газа максима­ лен, но такой газ имеет самую низкую теплоту сгорания. Высокотемпературный пиролиз позволяет более интенсивно

иглубоко преобразовать исходный продукт, так как при увеличении температуры скорость реакции возрастает быс­ трее, чем растут теплопотери, происходит более полное вы­

деление летучих продуктов, а количество твердого остатка сокращается.

Как правило, пиролиз проводят в вертикальной шахтной печи, в которую отходы подаются сверху. Однако ряд фирм разработали и эксплуатируют пиролизные установки, в которых используют барабанные вращающиеся печи, а также печи с псевдоожиженным слоем. В частности, барабанная вращающаяся печь использована в схеме ’’Ландгарт”, разработанной фирмой ’’Монсанто” (США) для термической обработки мусора (рис.7.3). Пиролиз осуществляется при ограниченном доступе кислорода. Эксплуатируемая по такой схеме установка имеет производительность 35 т/сут.

Отходы из бункера 1 по двум виброжелобам направляются в дробилку 2, а затем - в бункер для дробленых отходов 5, откуда их непрерывно подают во вращающуюся печь 4. Печь изнутри фу­ терована огнестойким материалом и установлена с небольшим на­

клоном, благодаря чему измельченные отходы в ней легко переме­ щаются, при этом часть горючих составляющих сгорает.

Рис. 7.3. Технологическая схема пиролиза отходов "Ландгарт”

Отходы, подлежащие пиролизу, движутся противотоком по от­ ношению к обогревающим газам. Однако теплоты, образующейся при их сгорании, недостаточно, так как процесс эндотермичен и для его осуществления подводится дополнительное тепло, выделяе­ мое при сгорании топлива.

Остаток твердых отходов после пиролиза попадает в находящу­ юся в конце печи шлаковую ванну 5, питаемую водой, поступаю­ щей из скруббера 9, служащего для очистки отходящих газов. Шлак направляется на магнитный сепаратор 6. Освобожденный от железа остаток представляет собой стеклоподобное темное вещест­ во. Пиролизный газ полностью сгорает в камере с огнеупорной фу­ теровкой 7, в которую подается воздух. Тепло используется для производства пара с помощью парогенератора 8. Отходящий газ, пройдя скруббер, с помощью дымососа 10 через дымовую трубу 11 выбрасывается в атмосферу. Вода, используемая в скруббере и шлаковой ванне, очищается на установке 12.

Важнейшей частью пиролитической установки является реак­ тор, один из типов которого напоминает шахтную печь (рис. 7.4). Реактор высотой 15 м и внутренним диаметром 3 м имеет произво­ дительность 300 т/сут.

Отходы периодически загружаются в верхнюю часть реактора и проходят вниз через три зоны: сушки, пиролиза, сгорания и плав­ ления. Горячие газы из зоны сгорания проходят вверх сквозь слой отходов в зонах сушки и пиролиза. В зоне сушки под воздействием этого тепла происходит испарение влаги, содержащейся в отходах. Поступающие сверху отходы ограничивают подсос воздуха через загрузочное отверстие. Под зоной сушки расположена зона пиро­ лиза, где высушенные отходы при крайне ограниченном доступе воздуха разлагаются с образованием горючего газа, углерода и шлака. Горючие газы поднимаются вверх и попадают в кольцеоб-

остаток, образующийся при пиролизе осадков сточных вод, можно использрвать в качестве сорбента на станциях водоподготовки и очистки сточных вод. При пиролизе изношенных автомобильных покрышек получают газовую сажу, используемую в производстве резиновых технических изделий, пластмасс, типографских красок, пигментов. Возможны и другие направления использования твердо­ го углеродистого остатка.

Пиролиз отходов можно осуществлять в реакторах с внешним и внутренним обогревом. Внешний обогрев применяют в реакторах в виде вертикальных реторт или во вращающихся барабанных реак­

можным способом обезвреживания промышленных и бытовых от­ ходов. Способ применяется для утилизации жидких, твердых, газо­ образных и пастообразных отходов. Огневую обработку используют и для утилизации негорючих отходов. В этом случае отходы под­ вергают воздействию высокотемпературных (более 1000 °С) про­ дуктов сгорания топлива.

Область применения огневого способа и номенклатура отходов, подлежащих огневому обезвреживанию, постоянно расширяются. Этим способом утилизируют отходы хлорорганических произ­ водств, основного органического синтеза, производства пластиче­ ских масс, резины и синтетических волокон, нефтеперерабатываю­ щей промышленности, лесохимии, химико-фармацевтической и микробиологической промышленности, машиностроения, радиотех­ нической и приборостроительной промышленности, целлюлознобумажного производства и многих других отраслей промышленно­ сти.

Сжиганием можно обезвредить и такие сложные с точки зре­ ния утилизации отходы, как смесь органических и неорганических продуктов, а также галогенорганические отходы. Смесь органиче­ ских и неорганических солей - наиболее трудный материал для сжигания, так как, как правило, содержит воду. При их сжигании молекулы органических соединений разрушаются, а неорганиче­ ские соединения превращаются в оксиды и карбонаты, которые вы­ водятся вместе со шлаками и золой. Мелкодисперсные частицы оксидов и карбонатов, содержащихся в топочных газах, улавлива­ ются в мокрых скрубберах.

Одними из наиболее опасных отходов, основным методом пере­ работки которых служит сжигание, являются галогенорганические отходы. Хлорированные органические материалы могут содержать воду и имеют низкую теплоту сгорания.

На характер процесса сжигания влияют следующие технологи­ ческие параметры: температура в огневом реакторе, удельная на­ грузка, рабочий объем реактора, дисперсность распыления, аэроди­ намическая структура и степень турбулентности газового потока в реакторе и др.

Сжигание твердых отходов осуществляется в печах различной конструкции, основным элементом которых является колосниковая решетка, на которой, собственно, и протекает процесс. Простран­ ство внутри печи разделено на несколько зон, где последовательно протекают процессы, в результате которых происходит сжигание отходов.

Процесс сжигания можно условно разделить на пять стадий, которые протекают последовательно, но могут проходить и одно­ временно: сушка, газификация, воспламенение, горение и дожига­ ние.

В зоне сушки влага, содержащаяся в отходах, превращается в пар. Общая потребность в энергии на этой стадии состоит из двух составляющих: энергии, необходимой для повышения температуры до 100 °С при атмосферном давлении (для подъема температуры воды с 20 до 100 °С необходимо 334 кДж/кг), и энергии, необходи­ мой для превращения воды в пар (2260 кДж/кг). Температура других компонентов отходов не может превышать 100 °С до тех пор, пока вода не превратится в пар.

На следующей стадии в зоне газификации происходит превра­ щение горючих веществ в летучие компоненты. Газы, проходя по топке, попадают в зону воспламенения и загораются при 250 °С. Распространение горения интенсифицируется при росте плотности и объема газового потока. После воспламенения газов дополни­ тельный подвод тепла не требуется. Важно, чтобы слой сжигаемого материала был равномерным и имел нужную высоту. Обычно от­ ходы засыпают в печь слоями высотой 100 - 120 см, обеспечивая равномерную плотность слоя.

В зоне сгорания температура отходов повышается. Для полного их сгорания и охлаждения колосников в этой зоне необходим под­ вод достаточного количества воздуха, причем важно, чтобы отходы долго находились в зоне высоких температур. Если утилизируются сырые необработанные отходы, то период их полного сгорания со­ ставляет не менее 3 ч.

В зоне дожигания происходит догорание горючих газов и ох­ лаждение раскаленного шлака воздухом или водой до 250 - 350 °С. В процессе сгорания 1 т твердых отходов в среднем образуется до 4000 м3 газообразных продуктов (в пересчете на 0 °С), в которых содержится от 20 до 100 кг летучей золы.

Свойства твердых промышленных отходов, предназначенных для сжигания, сильно отличаются от свойств бытовых отходов сво­ им составом. Последние представляют собой смесь различных ма­ териалов в том виде, в каком они накапливаются в мусоросборни­ ках. Промышленные отходы, как правило, представляют собой од­ нородный материал, состав которого зависит от вида промышленного производства. Как правило, на сжигание должны поступать только те промышленные отходы, которые не могут быть утилизированы другими способами. Свойства и состав про­ мышленных отходов могут колебаться в широких пределах:

Рис. 7.5. Схема мусоросжигательного завода