книги / Переработка отходов производства и потребления
..pdfмические 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-
|
|
|
|
|
разный канал, откуда они вместе с паром |
|||||
|
|
|
|
|
(образовавшимся в зоне сушки) отсасы |
|||||
|
|
|
|
|
ваются вентилятором. |
пиролиз |
||||
|
|
|
|
|
Основными |
компонентами |
||||
|
|
|
|
|
ного газа являются водород, оксид угле |
|||||
|
|
|
|
|
рода, метан. Теплота сгорания этой сме |
|||||
|
|
|
|
|
си в зависимости от состава отходов и |
|||||
|
|
|
|
|
организации процесса составляет 6680 - |
|||||
|
|
|
|
|
10450 кДж/м3. Часть энергии |
получае |
||||
|
|
|
|
|
мого газа используется для подогрева |
|||||
|
|
|
|
|
воздуха, подаваемого в зону сгорания ре |
|||||
|
|
|
|
|
актора. |
Остальная |
энергия передается |
|||
|
|
|
|
|
потребителю в виде газообразного топли |
|||||
|
|
|
|
|
ва или в виде теплоносителей. |
|
|
|||
|
|
|
|
|
Пиролизный газ имеет преимущество |
|||||
|
|
|
|
|
перед природным, так как не содержит |
|||||
|
|
|
|
|
соединений серы и азота. Однако в связи |
|||||
|
|
|
|
|
с низкой теплотой |
сгорания, трудностя |
||||
|
|
|
|
|
ми аккумуляции и хранения пиролизного |
|||||
|
|
|
|
|
газа его невозможно собирать и транс |
|||||
|
|
|
|
|
портировать на значительное расстояние, |
|||||
|
|
|
|
|
вследствие чего потребитель газа должен |
|||||
|
|
|
|
|
находиться не далее 3 км от пиролизной |
|||||
|
|
|
|
|
установки. |
|
|
|
|
|
Рис. 7.4. Реактор высокотем |
Кокс, получаемый при пиролизе от |
|||||||||
ходов, |
можно использовать в различных |
|||||||||
пературного пиролиза: |
|
целях в зависимости от его состава и фи |
||||||||
1 ~ загрузка |
отходов; |
2 |
- |
|||||||
кольцеобразный канал; |
3 |
- |
зических свойств. При пиролизе твердых |
|||||||
удаление и охлаждение |
шла |
отходов нефтеперерабатывающих |
произ |
|||||||
ка; 4 - |
зона сгорания и плав |
водств кокс с зольностью до 50% |
после |
|||||||
ления; |
5 - |
подача горячего |
||||||||
воздуха в зону горения; 6 - |
зо |
небольшой дополнительной |
обработки |
|||||||
на пиролиза; |
7 - зона сушки; |
может быть применен в качестве замени |
||||||||
|
8 ~ отходы |
|
|
теля природных и синтетических угле |
||||||
|
|
|
|
|
родсодержащих |
материалов. |
Коксовый |
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
торах. В этих аппаратах пиролизные газы не подвергаются како му-либо разбавлению газовыми теплоносителями, поэтому харак теризуются высокой теплотой сгорания. Кроме того, газ, получае мый в реакторах с внешним обогревом, содержит минимальное ко личество пыли, так как не перемешивается с газовым теплоносите лем, обычно пропускаемым через слой отходов, содержащих мел кодисперсные частицы.
Вреакторах с внутренним обогревом (вертикальные шахтные,
спсевдоожиженным слоем, вращающиеся барабанные) в качестве теплоносителя используют инертные и горючие газы, не содержа щие кислорода, нагретые до 600 - 900 °С. Наиболее целесообразно
вкачестве теплоносителя использовать образующийся пиролизный
газ.
В реакторах с внутренним обогревом повышается запыленность пиролизного газа, но такая схема позволяет существенно интенси фицировать процесс пиролиза и сократить габариты реакторов по сравнению с установками с внешним обогревом.
7.2. Сжигание отходов
Сжиганием называется контролируемый процесс окисления твердых, жидких или газообразных горючих отходов. При горении в основном образуются диоксид углерода, вода и зола. Сера и азот, содержащиеся в отходах, образуют при сжигании различные окси ды, а хлор восстанавливается до НС1. Помимо газообразных про дуктов при сжигании отходов образуются и твердые частицы - ме таллы, стекло, шлаки и др., которые требуют дальнейшей утилиза ции или захоронения.
За последние годы технология сжигания отходов претерпела значительные изменения, суть которых состоит в создании много ступенчатых систем очистки продуктов сгорания, а также в утили зации выделяющегося тепла и полезных продуктов. Это позволило существенно снизить нагрузку от сжигающих установок на окру жающую среду, но в то же время потребовало значительных капи тальных затрат. Тем не менее с учетом капитальных и текущих затрат технология обезвреживания отходов путем сжигания, по мнению многих специалистов, экономически более эффективна по сравнению с захоронением, требующим также значительных капи тальных затрат на обустройство полигонов в соответствии с совре менными инженерными требованиями, а также с учетом стоимости земель, отчужденных под полигоны, и их инфраструктуры.
Огневой способ обезвреживания и переработки отходов являет ся наиболее универсальным, надежным и эффективным по сравне нию с другими. Во многих случаях он является единственно воз-
8 - 355
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:
Содержание воды, % |
5 - 7 0 |
Зольность, % |
1 0 -9 5 |
Теплота сгорания, кДж/кг |
0-41800 |
В общем виде, когда неизвестна природа промышленных от ходов, можно считать, что они состоят из твердых, полутвердых и жидких веществ со средней теплотой сгорания 10800; 14600; 25000 кДж/кг соответственно.
Промышленные отходы перед сжиганием должны пройти ряд подготовительных операций: дробление, гомогенизацию, дегидрата цию и др.
Разработаны разнообразные установки для сжигания отходов. Типичная технологическая схема мусоросжигательного завода представлена на рис. 7.5.
Отходы из приемного бункера 7 грейферным захватом 2 пода ются в загрузочный бункер 3. Сжигание в печи 6 происходит на подвижной колосниковой решетке 4. Необходимый для горения от ходов воздух подается воздуходувкой 5 под решетку. Конструкция печи предусматривает сжигание как твердых, так и жидких отхо дов. Для этого в печи имеются форсунки 7 для впрыскивания жид ких отходов. Котел 8 позволяет утилизировать тепло, выделяемое при горении отходов, и получать перегретый пар. Дымовые газы проходят очистку от золы-уноса в электрофильтре 70, а затем ды мососом 77 выбрасываются через трубу 72, высота которой рассчи тывается с учетом снижения предельных концентраций выбрасыва емых веществ ниже норм ПДК. Шлак, образующийся при горении отходов, после охлаждения водой удаляется транспортером 9 на склад.
Ниже приведены параметры процесса сжигания отходов в неко торых печах:
|
Температура, “С |
|
Многоподовая печь |
760 -980 |
|
Печь с топкой кипящего слоя |
760 - |
980 |
Печь для сжигания жидких отходов |
650 - |
1650 |
Факельная печь |
538 - |
815 |
Каталитическая камера сгорания |
< 815 |
|
Вращающаяся печь |
8 1 5 - 1650 |
|
Печь сжигания в расплаве солей |
815 - |
980 |
Многокамерная печь |
815 - |
980 |
Ф с - время определяется фазовым состоянием.
Время пребывания отходов в печи
0,25 - 1,5 ч
Ф1
0,1 - 2,0 с
0,3 - 0,5 с
1,0 с
Ф'с
0,75 с
Несколько секунд (для газов), несколько минут (для твердых отходов)
Рис. 7.5. Схема мусоросжигательного завода