Раздел 2. Технологические, технические решения и системы менеджмента, используемые в настоящее время в сфере утилизации и обезвреживания отходов термическими способами

2.1 Общие положения

В общем виде технологическая схема комплексной установки для утилизации и обезвреживания термическими методами отходов, содержащих органические вещества, может включать [7] следующие блоки:

- блок подготовки отходов;

- блок собственно термической обработки отходов;

- блок теплоиспользования;

- блок получения органических продуктов (синтез-газ, жидкое топливо, кокс);

- блок получения минеральных продуктов (керамика, цемент, минеральные соли, кислоты, металлы и др.);

- блок многоступенчатой очистки отходящих газов перед их выбросом в атмосферу.

Технология термодеструкции отходов, кроме твердых коммунальных отходов, признается технологией утилизации отходов термическими методами в следующих случаях:

- термодеструкция отходов проводится с целью получения материальной продукции, соответствующей установленным стандартам, при этом возможно использование тепла отходящих газов с целью получения тепловой или электрической энергии;

- термодеструкция отходов применяется для получения энергии (электрической и/или тепловой).

Технология термодеструкции твердых коммунальных отходов признается технологией утилизации термическими методами в случаях, если термодеструкция применяется для получения энергии (электрической и/или тепловой), при этом энергетическая эффективность, рассчитанная по формуле 1 Приложения Д для комбинированного производства тепловой и электрической энергии (когенерация), составляет не менее 0,65, а для конденсационного режима (производится только электрическая энергия) составляет не менее 0,45. Технология термодеструкции отходов признается технологией обезвреживания отходов, если термодеструкция используется для отходов, не пригодных для/не подлежащих утилизации, для целей уменьшения массы отходов, изменения их состава, физических и химических свойств, снижения негативного воздействия; при этом возможно использование тепла отходящих газов.

Исходные данные для разработки установок утилизации и обезвреживания отходов термическим способом должны обязательно включать информацию об отходах, направляемых на утилизацию или обезвреживание, с учетом приведенной в разделе 1 классификации отходов и агрегатную мощность (нагрузку).

По возможности передвижения установок можно выделить: мобильные, передвижные установки, не имеющие прочной связи с землей и конструктивные характеристики которых позволяют осуществить их перемещение и (или) демонтаж и последующую сборку без несоразмерного ущерба назначению и без изменения основных характеристик оборудования включенного в их состав, и стационарные установки - объекты, которые прочно связаны с землей и их перемещение влечет несоразмерный ущерб их назначению.

По мощности установки можно выделить следующим образом:

- установки малой мощности 10-500 кг/ч (мобильные, передвижные);

- установки средней мощности с агрегатной нагрузкой 500-2000 кг/ч (в том числе транспортабельные, то есть способные к перебазированию на новую площадку);

- установки станции большой агрегатной мощности 2000-10000 кг/ч (стационарные).

Выбор НДТ должен осуществляться для различных технологических схем и быть направлен на максимальное снижение эмиссий в окружающую среду, ресурсо- и энергосбережение, в том числе выработку энергии и получение побочных минеральных и органических продуктов. Выбор НДТ осуществляется на основе Методических рекомендаций определения технологии в качестве наилучшей доступной технологии (Приказ Минпромторга России от 23 августа 2019 г. N 3134), учитывающих совокупность соответствующих критериев.

2.2 Основные эколого-энерготехнологические параметры [7]

Эколого-энерготехнологические параметры определяют экологическую и экономическую эффективность и надежность процесса утилизации и обезвреживания отходов:

а) температурный уровень процесса. По этому параметру термические процессы и реакторы можно подразделить на низкотемпературные (температура отходящих газов t_ог = 400-600 °C); среднетемпературные (t_ог = 600-1000 °C); высокотемпературные (t_ог 1000-2000 °C и выше);

б) время пребывания (без учета камеры дожигания) токсичных компонентов в рабочей зоне термического реактора t_преб. По времени пребывания термические реакторы можно разделить на следующие группы:

1) t_преб < 0,1 с (малое отношение рабочего объема реактора V_р (м³) к объемному расходу газов V_г (м³/с);

2) t_преб = 0,1-0,5 с (средняя величина V_р/V_г);

3) t_преб = 0,5-2 с (повышенная величина V_р/V_г);

4) t_преб > 2 с (сверхвысокая величина V_р/V_г);

в) интенсивность перемешивания компонентов в рабочей зоне термического реактора;

г) состав газовой атмосферы в термическом реакторе. Различают три режима:

1) окислительная атмосфера (коэффициент расхода окислителя > 1);

2) восстановительная атмосфера ( < 1);

3) переменная по зонам реактора атмосфера (например восстановительно-окислительная);

д) принцип теплогенерации (тип внешнего, дополнительного источника энергии). На практике используются:

1) органическое топливо (газообразное, жидкое или твердое, а также горючие отходы);

2) электроэнергия (индукционный, электродуговой или плазменный источник);

3) комбинированный источник;

е) тип окислителя. Применяются:

1) воздух;

2) технический кислород;

3) обогащенное кислородом воздушное дутье;

4) водяной пар;

5) диоксид углерода;

ж) режим шлакоудаления. На практике используются режимы:

1) с жидким шлакоудалением;

2) с твердым шлакоудалением;

з) способ нейтрализации образующихся при термическом обезвреживании отходов газообразных окислов и кислот (SO₂, SO₃, HCl, HF, P₄O₁₀). Применяются:

1) способы с предварительной, реагентной обработкой отходов;

2) способы с подачей реагентов непосредственно в термический реактор;

3) способы, характеризующиеся подачей реагентов на стадию охлаждения газообразных продуктов обезвреживания;

4) способы подачи реагентов на стадию низкотемпературной очистки газов.

Оптимизация эколого-энерготехнологических параметров позволяет выбрать соответствующий тип термического реактора для утилизации и обезвреживания жидких, твердых и пастообразных отходов.

2.3 Методы термической деструкции [18], [19]

В настоящее время для утилизации и обезвреживания отходов термическим способом чаще других используются сжигание, пиролиз, газификация.

2.3.1 Методы сжигания отходов

Наиболее распространенным методом термодеструкции является сжигание (огневой метод), используемое для утилизации и обезвреживания жидких, твердых, пастообразных отходов.

Целеполагание сжигания отходов заключается в:

- обезвреживании отходов, направленном на уменьшение их массы, изменение состава, физических и химических свойств в целях снижения негативного воздействия отходов на здоровье человека и окружающую среду;

- утилизации отходов, направленной на получение энергии, выделяемой при горении отходов или их компонентов.

Блок-схемы сжигания отходов с различными подходами в целеполагании (с целью обезвреживания и получения различных видов энергии) приведены на рисунках 2.1 и 2.2.

Рисунок 2.1 - Общая схема сжигания отходов с целью обезвреживания

Рисунок 2.2 - Общая схема сжигания отходов с целью получения различных видов энергии

Метод сжигания применяется на современных предприятиях и считается наиболее универсальным, надежным и эффективным по сравнению с другими термическими методами утилизации и обезвреживания отходов.

В мировой практике сжигание отходов подразделяется на пять групп, имеющих свои технологические особенности [14]:

- сжигание смешанных коммунальных (муниципальных) отходов. Такое сжигание традиционно представляет собой термическую обработку смешанных и практически необработанных коммунальных отходов, образующихся в жилом секторе. Иногда применяется совместное сжигание таких отходов с промышленными отходами;

- сжигание коммунальных или других отходов, предварительно подготовленных к сжиганию, то есть отходов, собранных в системе раздельного сбора, предварительно обработанных для повышения их теплотворной способности;

- сжигание опасных отходов на промышленных объектах, где эти отходы образовались, или специализированных заводах;

- сжигание осадков сточных вод на специализированных установках или на установках для сжигания отходов (вместе с другими отходами, например коммунальными);

- сжигание медицинских отходов на специализированных установках.

В настоящем разделе рассмотрены наиболее распространенные виды оборудования для термической обработки отходов:

- слоевые печи;

- печи с псевдоожиженным слоем;

- вращающиеся печи;

- циклонные печи;

- шахтные печи;

- печи с жидкой ванной расплава;

- подовые печи.

Технология сжигания в слоевых топках с возможностью получения энергии

Для сжигания в слоевых топках наиболее пригодными считаются следующие виды отходов:

- смешанные коммунальные отходы;

- отработанные масла (в случаях, предусмотренных законодательством);

- опасные отходы (частично, только горючие вещества);

- лакокрасочные отходы;

- промышленные отходы (горючие вещества, особенно мелкокусковые смеси; например посторонние вещества, отделяемые при переработке макулатуры в бумажной промышленности);

- древесные отходы (при отсутствии возможности других методов утилизации);

- строительные отходы (применяется для горючей составляющей строительных отходов);

- горючие фрагменты крупногабаритных отходов;

- прочие отходы (горючие вещества).

Отходы, подлежащие сжиганию в слоевых топках, требуют предварительной обработки: должны быть удалены крупные фракции, создающие помехи (например металлоотходы); отходы не должны содержать радиоактивных компонентов; в некоторых случаях требуется предварительное измельчение.

В отечественной и зарубежной практике для термических способов утилизации и обезвреживания твердых и пастообразных отходов, содержащих органические вещества, наиболее широко используются слоевые печи. Принципиальная схема слоевого сжигания представлена на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 - Принципиальная схема слоевого сжигания отходов

ЛОКАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ. В последние годы следует отметить большое количество российских разработок и зарубежных поставок локальных установок термической деструкции отходов с использованием слоевых топок (см. рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 - Варианты локальных установок со слоевым сжиганием отходов

Недостатком этих установок является отсутствие системы очистки отходящих газов.

Отдельные установки состоят из камеры сжигания, тягодутьевого оборудования, аппарата сухой газоочистки (циклон-золоуловитель) и основных соединительных трубопроводов. Загрузка отходов осуществляется в большинстве случаев вручную, а их горение происходит в неподвижном слое на футерованном сплошном поду.

Слоевые печи надежны в эксплуатации, просты при обслуживании (особенно топки с неподвижным подом) и имеют длительный ресурс, однако пригодны для термического обезвреживания ограниченного перечня отходов. Практически невозможно эффективно обезвреживать в этих печах отходы, содержащие легкоплавкие минеральные соединения и вещества в пластическом состоянии, так как происходит замазывание и зашлаковывание слоя.

Основной недостаток локальных слоевых печей - низкая экологическая эффективность разложения отходов - повышенный механический недожог, то есть наличие остаточных токсичных органических соединений в шлаке и выбросы с дымовыми газами супертоксикантов: молекулярного хлора (Cl₂), фосгена (COCl₂), бензапирена, полихлорированных дибензодиоксинов (ПХДД) и дибензофуранов (ПХДФ).

Низкие удельные нагрузки при обезвреживании отходов, громоздкость и металлоемкость, относительно высокие капитальные и эксплуатационные расходы и, главное, низкая экологическая эффективность не позволяют рекомендовать слоевые печи для термического обезвреживания органических отходов в локальных установках малой мощности.

Недостатками большинства действующих установок со слоевыми печами также являются:

- проскоки токсичных компонентов, усугубленные периодической загрузкой относительно больших разовых объемов уничтожаемых отходов;

- образование токсичного шлака, содержащего растворимые соли тяжелых металлов и остатки органических компонентов.

СТАЦИОНАРНЫЕ УСТАНОВКИ. Сжигание отходов в слоевой топке на стационарных установках является наиболее часто применяемым методом сжигания ТКО с возможностью производства энергии. В отличие от иных способов сжигания отходы подаются на колосниковую решетку в камере сгорания.

Подача отходов на колосниковую решетку системами загрузки, а также их сжигание, осуществляются непрерывно в течение суток, в том время как доставка отходов к установке осуществляется периодически (в большинстве случаев в дневное время). Поэтому перед слоевой топкой всегда устанавливается подземный бункер. Кроме постоянного хранения необходимого запаса отходов он также обеспечивает их перемешивание, обеспечивающее гомогенизацию отходов перед сжиганием (установление примерно стабильных показателей теплотворной способности).

Топки со слоевым сжиганием отходов различаются по типу и принципу работы колосниковых решеток, которые транспортируют отходы так, что обеспечивается хорошее перемешивание и прохождение через различные температурные зоны.

Имеются три различные системы [62]:

- при системе с переталкивающей колосниковой решеткой отходы транспортируются колосниками. Наклонная поверхность решетки не является необходимой, хотя и предлагается некоторыми изготовителями. За счет ускорения движения решетки можно увеличить скорость подачи. Это предоставляет возможность контроля времени пребывания в печи и адаптации к колебаниям при загрузке отходов на решетку. Переталкивающая решетка является в настоящее время наиболее важной системой колосниковых решеток на новых установках;

- при системе с обратно-переталкивающей решеткой отходы транспортируются под действием силы тяжести. Наклонная поверхность является необходимой, потому что отходы и решетка движутся в противоположных направлениях. Обратно-переталкивающие решетки пригодны, например, для влажных отходов;

- при системе с валковой решеткой материал транспортируется за счет комбинации силы тяжести в результате наклона поверхности решетки и движения валков для транспортирования отходов. Движущиеся валки транспортируют отходы вниз. Более быстрое вращение валков приводит к ускорению транспортирования, но не к улучшению перемешивания.

Эффективное сжигание на колосниковой решетке происходит при температуре 850-950 °C. В конце медленной движущейся решетки остатки после сгорания падают в заполненное водой устройство шлакоудаления [14].

Дымовые газы возникают большей частью в зоне дожигательной камеры, где они выгорают при температуре от 850 °C до более 1000 °C. В расположенном дальше паровом котле дымовые газы охлаждаются до 200-400 °C. При этом (в большинстве случаев) образуется перегретый пар (не более 40 бар, 400 °C). Пар можно использовать для производства электроэнергии, в качестве технологического пара или для отопления. В настоящее время на рынке предлагаются различные системы топок с колосниковыми решетками [14].

Разница существует в путях проводки дымовых газов и в подаче отходов на колосниковой решетке. Принципиально имеются три системы проводки дымовых газов (см. рисунок 2.5).

Рисунок 2.5 - Варианты проводки дымовых газов [62]

На рисунке представлено соотношение основных направлений подачи отходов и дымовых газов для вариантов прямотока, противотока и центрального потока.

Прямоточные системы целесообразно применять при отходах с высокой теплотворной способностью (> 9 МДж/кг). Не полностью сгоревшие дымовые газы вынуждены проходить зону с максимальной температурой, что обеспечивает лучшее выгорание дымовых газов и шлака. Благодаря этому можно отказаться от камеры дожигания [14].

Противоточные системы более пригодны для отходов с низкой теплотворной способностью. Высокая температура дымовых газов способствует сушке и сжиганию отходов. В качестве возможного риска следует указать на плохое перемешивание дымовых газов, поэтому дожигание является обязательным.

Если на сжигание поступают отходы с различной теплотворной способностью, то компромиссом является использование системы с центральным потоком.

Шлак, который образуется в результате сжигания, может поступать на захоронение либо использоваться, например, в дорожном строительстве после дополнительной обработки, которая включает отделение металлов и измельчение/гомогенизацию.

Дымовые газы, образующиеся при сжигании отходов, должны подвергаться обработке и очистке.

Область применения

Системы колосниковых решеток с водяным охлаждением позволяют сжигать высококалорийные смеси отходов с теплотворной способностью до 16 МДж/кг. До настоящего времени теплотворная способность удерживалась на уровне ниже 12 МДж/кг, поскольку в противном случае тепловая нагрузка на решетчатые системы становилась слишком высокой и возникала опасность расплавления или значительного сокращения срока службы решетки [63].

Топки с колосниковыми решетками могут в принципе применяться в комбинации со всеми предшествующими сжиганию мерами и процессами обработки отходов, они выполняют при этом задачу минерализации всех горючих веществ, которые уже не могут использоваться или обрабатываться другим способом. Преимуществом является к тому же синергетический эффект при взаимоувязке с процессами, имеющими большую потребность в тепловой энергии.

Технология сжигания отходов во вращающихся печах

Барабанные вращающиеся печи (рисунок 2.6) широко используют за рубежом для сжигания твердых и пастообразных промышленных, бытовых и медицинских отходов, а также обезвоженных осадков сточных вод. Обычно барабанная вращающаяся печь представляет собой стальной барабан, имеющий футеровку из огнеупорного кирпича, бетона или водоохлаждаемую, который вращается со скоростью 0,05-2 об/мин.

Рисунок 2.6 - Принципиальная схема печи для сжигания опасных отходов [62]

Барабанные печи устанавливаются с небольшим наклоном в направлении движения отходов. Температуру в барабанной печи в зависимости от вида сжигаемых отходов поддерживают в пределах 900-1200 °C. В случае необходимости дополнительное топливо или жидкие горючие отходы подаются через горелочное устройство, повышая температуру внутри печи. Поступившие отходы, перемешиваясь при вращении печи, подсушиваются, частично газифицируются и перемещаются в зону горения. Излучение от пламени в этой зоне раскаляет футеровку печи и способствует выгоранию органической части отходов и подсушки вновь поступивших. Отходы и топливо, а также окислитель (воздух), подаются со стороны загрузки, шлак выгружается с противоположного торца печи в твердом виде или в виде расплава.

В связи с малоэффективным перемешиванием отходов барабанные вращающиеся печи характеризуются низкой удельной тепловой и массовой нагрузкой топочного объема, кроме того они громоздки, а в дымовых газах наблюдается повышенный недожог.

В то же время барабанные вращающиеся печи с жидким шлакоудалением, дополненные камерой дожигания газообразных продуктов термодеструкции отходов, характеризуются высокой экологической эффективностью.

Сжигание отходов с помощью барабанных вращающихся печей - наиболее распространенный метод. Реализация технологий с помощью такой конструкции печи представлена на рисунке 2.7. Их использование позволяет изменять режимы работы без существенного технического перевооружения и смены технологии, следовательно, использование этой конструкции дает возможность переработки более широкого спектра отходов. В их число входят твердые коммунальные и промышленные отходы, нефтяные шламы, обезвоженные осадки очистных сооружений, медицинские отходы, биологические отходы, COЗ-содержащие отходы и т.п. Многоцелевое назначение определяет более серьезные требования к обеспечению экологической безопасности. Для этих целей используется многоступенчатая газоочистка, в составе которой рационально использование адсорбционных реакторов, наиболее часто исполненных в виде рукавных фильтров (однако имеются и другие конструкции). В качестве адсорбентов тяжелых металлов и соединений группы диоксинов используются активированный уголь и цеолиты.

Рисунок 2.7 - Принципиальная технологическая схема сжигания отходов во вращающейся барабанной печи

На рисунке 2.7, кроме принципиального состава блоков, имеется блок тонкой очистки с возможностью впрыска активных сорбентов.

Методы ресурсо- и энергосбережения могут сводиться к использованию жидких отходов в качестве альтернативного топлива на специальных форсунках и системах утилизации тепла, например, на обеспечение горячим водоснабжением и отоплением производственных и внутриплощадных нужд. Модификация конструкции печи в виде циклонного реактора (см. рисунок 2.8) позволяет увеличить производительность по жидким отходам.

Циклонная камера сжигания оборудуется тангенциально расположенными горелками, работающими на газообразном или жидком топливе, форсунками подачи жидких отходов (в зависимости от комплектации), пылесборником (или камерой солеотложения).

Распространены технологические решения, где циклонный реактор используется в качестве камеры дожига (см. рисунок 2.8). Необходимость вихревого режима определяется требованиями к сжиганию высокотоксичных сред. Циклонная топка обеспечивает более качественное сжигание и относительную минимизацию концентрации контролируемых загрязняющих веществ.

Рисунок 2.8 - Принципиальная технологическая схема сжигания отходов с использованием циклонного дожигателя

В Германии, США, Швейцарии, Финляндии и других странах накоплен большой опыт разработки централизованных станций термической деструкции отходов с барабанными вращающимися печами. В настоящее время за рубежом успешно эксплуатируются барабанные вращающиеся печи для совместного сжигания твердых, пастообразных и жидких отходов с агрегатной нагрузкой от 2 до 6 т/ч [1].

В 1996 году в г. Брунсбюттель (Германия) введена в эксплуатацию одна из самых больших в мире барабанных вращающихся печей с нагрузкой по твердым и пастообразным отходам - 40 000 т/год. Диаметр печи - 4,8 м, длина - 12 м. Температура отходящих газов (на входе в камеру дожигания) - 1200 °C.

В апреле 1997 года в г. Измит (Турция) пущен в эксплуатацию центр термической деструкции твердых и пастообразных отходов мощностью 35 000 т/год. Стоимость центра составила 450 млн немецких марок. Нейтрализация хлористого водорода (HCl), образующегося при обезвреживании хлорорганических отходов, осуществляется в системе мокрой газоочистки путем впрыска соответствующих щелочных или щелочно-земельных реагентов. Шлак из барабанной печи удаляется в жидком состоянии (в виде расплава).

В России также разрабатывают и реализуют барабанные вращающиеся печи (см. рисунок 2.9).

Необходимо подчеркнуть, что в технологическом отношении барабанные вращающиеся печи являются наиболее универсальными термическими реакторами для переработки крупнокусковых отходов переменного состава.

Следует заметить, что футеровка печей при вращении находится в условиях частой смены температур, что вызывает образование в ней трещин и быстрый выход из строя. Замена один раз в полгода внутренней футеровки печи - операция трудоемкая, сложная и дорогая, ее стоимость составляет около 10 % от стоимости печи. Использование дорогостоящих термостойких и химически стойких футеровок в барабанных печах приводит к существенному повышению стоимости агрегатов.

Рисунок 2.9 - Барабанная вращающаяся печь [20]

Для повышения долговечности печи иногда вместо футеровки применяют водяное охлаждение металлической стенки барабана (Япония) либо охлаждение кирпичной футеровки печи (Финляндия).

Специальное сооружение экологически эффективной локальной установки малой мощности с барабанной вращающейся печью для термической деструкции органических отходов из-за высоких капитальных и эксплуатационных расходов целесообразно только для отдельных регионов. Такая установка, изготовленная в Чехии, внедрена в Свердловской области для обезвреживания медицинских отходов.

В то же время не вызывает сомнения техническая и экономическая целесообразность создания в регионах централизованных станций совместной термодеструкции токсичных твердых, пастообразных и жидких органических отходов с большой агрегатной нагрузкой на основе барабанных вращающихся печей.

В настоящем разделе не рассмотрен опыт высокотемпературного сжигания ТКО и промышленных органических отходов, отработанных автомобильных покрышек во вращающихся печах цементной индустрии.

Технология сжигания в печи с жидкой ванной расплава

Среди многих предлагаемых технологий термодеструкции отходов своей оригинальностью выделяется технология уничтожения токсичных органических отходов в расплавах неорганических солей.

Сущность метода заключается в следующем. Дешевые неорганические соединения (например соду или негашеную известь) расплавляют в керамическом реакторе при температурах 800-1000 °C. Через расплав продувают воздух и подают в реактор органические отходы. Степень обезвреживания, по данным авторов технологии, составляет 99,9999 %.

Метод обработки отходов в расплавленных солях (ОРС) выглядит очень привлекательным, однако еще не вышел из стадии опытных и демонстрационных испытаний.

В начале 1990-х годов для термической переработки твердых коммунальных и промышленных отходов была предложена российская технология сжигания в барботируемом расплаве шлака на основе печи Ванюкова (см. рисунок 2.10). Суть технологического процесса переработки отходов заключается в высокотемпературном разложении отходов в слое барботируемого шлакового расплава при температуре 1250-1400 °C и выдерживании их в течение 2-3 с. Расплав образуется из подаваемых в огневой реактор различных шлаков, в частности золошлаковых отходов ТЭЦ.

Отходы непрерывно загружаются через свод печи на поверхность шлакового расплава, который продувается через нижние фурмы окислителем. Попадая в расплав, отходы ошлаковываются и потоками шлака распределяются по его объему. При этом из отходов удаляются влага и летучие компоненты. Минеральная часть отходов растворяется в шлаке, состав которого корректируется минеральными добавками. Из содержащихся в отходах металлов образуется металлическая ванна, расположенная ниже уровня шлака. Образующиеся металл и шлак непрерывно раздельно выводят из печи через отдельные летки. Выделившиеся из шлаковой ванны горючие газы дожигаются непосредственно над поверхностью расплава кислородным дутьем, подаваемым через верхние фурмы.

1 - барботируемый слой шлака; 2 - слой спокойного шлака; 3 - слой металла; 4 - огнеупорная подина; 5 - сифон для выпуска шлака; 6 - сифон для выпуска металла; 7 - переток; 8 - водоохлаждаемые стенки;

9 - водоохлаждаемый свод; 10 - барботажные фурмы; 11 - фурмы для дожигания; 12 - загрузочное устройство; 13 - крышка; 14 - загрузочная воронка; 15 - патрубок газоотвода

Рисунок 2.10 - Печь с жидкой ванной расплава [22]

Основным преимуществом процесса Ванюкова по сравнению с традиционным слоевым сжиганием отходов является существенное снижение количества отходящих газов за счет использования обогащенного кислородом дутья и получение безвредного шлакового расплава.

Основным недостатком процесса является использование дорогостоящей плавильной металлургической технологии для термической переработки отходов.

Кроме того, отсутствие в большинстве случаев в составе органических отходов минеральных составляющих ведет к необходимости поддержания искусственного шлакового расплава минеральных веществ.

В целом собственно плавильная металлургическая печь с кессонированными водоохлаждаемыми ограждениями, системой кислородно-воздушного дутья под слой расплава, позонным выпуском расплава представляется реактором более сложным в эксплуатации, нежели реакторы прямого сжигания отходов. Теплота горения отходов только в незначительной степени расходуется на плавление шлака, поскольку в плавильной печи осуществляется лишь частичное окисление органических компонентов отходов, а дожигание - основной источник теплоты, вынесен за пределы ванны расплава.

Технология сжигания в циклонных печах

Циклонные реакторы являются экологически эффективными и надежными устройствами для утилизации и обезвреживания органических отходов. Высокие удельные массовые нагрузки циклонных реакторов обусловлены, помимо особой аэродинамической структуры газового потока, тонким диспергированием отходов специальным распылителем или непосредственно скоростным потоком газов в объеме реактора [2].

В России разработаны циклонные реакторы различной модификации (см. рисунок 2.11) для огневой (высокотемпературной) обработки жидких отходов, содержащих органические и минеральные вещества.

1 - топливо; 2 - воздух; 3 - жидкие отходы

Рисунок 2.11 - Схема циклонного реактора с огнеупорной футеровкой и тепловой изоляцией [2]

Применяемые при утилизации и обезвреживании минерализованных отходов гарниссажные футеровки этих реакторов обеспечивают длительную межремонтную рабочую кампанию. По всему Советскому Союзу от западного Гродно до сибирского Кемерово и узбекского города Чирчик было внедрено более 150 таких установок, мощность которых составляла от 200 кг до 16 т отходов в час. Лицензии на установку были проданы в ряд стран социалистического содружества и Японию, затем в Республику Корея.

По сравнению с обычно применяемыми камерными и шахтными печами циклонные реакторы являются наиболее эффективными и универсальными, что обусловливается их аэродинамическими особенностями. Удельные массовые нагрузки в циклонных реакторах более чем на порядок выше нагрузок шахтных и камерных печей, что позволило создать малогабаритные устройства.

Практика эксплуатации установок для термической деструкции жидких отходов с циклонными реакторами подтвердила их технические и экономические преимущества перед другими типами установок:

- снижение капитальных затрат;

- уменьшение эксплуатационных расходов;

- возможность извлечения вторичных минеральных продуктов;

- высокая экологическая эффективность, соответствующая самым жестким европейским нормативам, при обезвреживании любых типов органических отходов, содержащих в том числе полихлорированные бифенилы (ПХБ), пестициды и другие суперэкотоксиканты;

- быстрый запуск;

- надежность и долговечность эксплуатации.

Положительные результаты получены при циклонном сжигании диспергированых твердых отходов и пастообразных осадков сточных вод (см. рисунок 2.12). Успешный опыт накоплен также в США при термической переработке золы мусоросжигательных заводов и загрязненного грунта с получением остеклованного шлака, а также в Германии при сжигании отработанного активированного угля (кокса) из системы сухой очистки дымовых газов.

В то же время в циклонных реакторах при грубом диспергировании твердых и пастообразных отходов (или невозможности их дробления и распыливания) резко снижается интенсивность процесса обезвреживания. Удельные массовые нагрузки таких реакторов уменьшаются до 100-150 кг/м³ч, что соответствует нагрузкам слоевых и барабанных печей.

Следует еще раз подчеркнуть, что при тонком диспергировании пастообразных отходов в циклонных реакторах достигаются удельные массовые нагрузки до 1000 кг/м³ч и более, что позволяет в короткие сроки сооружать компактные, малогабаритные установки с малыми капитальными затратами.

Рисунок 2.12 - Горизонтальный циклонный реактор для термического обезвреживания шламов [19]

Высокая интенсивность перемешивания частиц отходов в газовом потоке циклонного реактора позволяет добиться практически полного выгорания токсичных органических веществ непосредственно в объеме реактора - остаточная концентрация оксида углерода (CO) в дымовых газах не превышает 50 мг/м³.

Эффект центробежной сепарации обеспечивает улавливание подавляющего количества минеральных составляющих (до 80 %) с выпуском их из реактора в твердом виде или в виде расплава (стерильного шлака).

Таким образом, для обезвреживания пастообразных отходов при обеспечении их тонкого диспергирования (пневматическими или механическими распылителями) рекомендуется использовать циклонные реакторы.

При затруднениях в распыливании таких отходов применение циклонных реакторов нецелесообразно, так как приведенные выше преимущества нивелируются.

Технология сжигания отходов во взвешенном (кипящем) слое

Для сжигания во взвешенном слое наиболее пригодными считаются следующие виды отходов:

- коммунальные отходы;

- отработанные масла (в случаях, предусмотренных законодательством);

- опасные отходы;

- промышленные отходы (горючие вещества, особенно мелкокусковые смеси, например посторонние вещества, отделяемые при переработке макулатуры в бумажной промышленности);

- древесные отходы (более целесообразным способом являются другие методы утилизации);

- строительные отходы (только горючие вещества);

- крупногабаритные отходы (сжигание во взвешенном слое следует применять только для обработки горючих материалов, образующихся при разборке этих отходов);

- медицинские отходы классов А, Б, В (частично, с учетом особенностей обращения с такими отходами);

- прочие отходы (горючие вещества, также и ил очистных сооружений).

Отходы, подлежащие сжиганию во взвешенном слое, требуют предварительной обработки:

- должны быть удалены крупные фракции, создающие помехи (например, металлоотходы);

- отходы не должны содержать радиоактивных компонентов;

- отходы подлежат измельчению до необходимого размера частиц.

Принцип работы реакторов с кипящим слоем состоит в подаче газов (воздуха) через слой инертного материала (песок с размером частиц 1-5 мм), поддерживаемого колосниковой решеткой. При критической скорости потока газа инертный слой переходит во взвешенное состояние, напоминающее кипящую жидкость. Поступивший в реактор отход интенсивно перемешивается с инертным слоем, при этом существенно интенсифицируется теплообмен.

Воздухораспределительная решетка обеспечивает равномерность прохождения потока воздуха через слой для обеспечения хорошего псевдоожижения. Применяются три типа обычных решеток: перфорированная решетка, решетка с насадками и трубчатая решетка.

Для установок, в которых разогрев слоя осуществляется с помощью газовых горелок или мазутных форсунок, конструкция решетки должна быть рассчитана на прохождение горячих газов. Обычно в таких случаях применяются водоохлаждаемые решетки либо решетки из жаропрочных, легированных сталей.

В зависимости от характера псевдоожижения различают три модификации кипящего слоя:

а) Реакторы для сжигания твердых отходов, шламов и осадков сточных вод со стационарным кипящим слоем обычно состоят из цилиндрической или прямоугольной топочной камеры (см. рисунок 2.13), ограниченной газораспределительной решеткой, конструкция которой предусматривает возможность удаления шлака. Реакторы со стационарным кипящим слоем широко используют для сжигания отходов в США, Германии, Японии и многих других странах.

Рисунок 2.13 - Топка с кипящим слоем [11]

б) Некоторое количество инертного материала при увеличении скорости газов сверх скорости витания начинает выноситься из слоя настолько интенсивно, что необходимо его восполнение. Циркулирующий кипящий слой (ЦКС) отличается от стационарного кипящего слоя наличием по тракту дымовых газов циклонных золоуловителей (см. рисунок 2.14). Уловленный материал возвращается из циклонов в слой, где продолжается обработка отходов.

На мировом рынке представлены технологии уничтожения отходов в циркулирующем кипящем слое (Германия, США). Технология сжигания твердых отходов и осветленного шлама с использованием ЦКС была впервые опробована в Нидерландах и Великобритании. В Германии этот способ сжигания стал применяться после введения законодательных норм 17 BimSchV по охране окружающей среды в части содержания в уходящих газах 0,1 нг/м³ диоксинов. В августе 1995 года вошла в промышленную эксплуатацию ТЭЦ Northampton (США) с котлом FosterWheeller с ЦКС мощностью 110 МВт для сжигания отходов углеобогащения, а в 1997 году внедрена установка с ЦКС для сжигания ТКО на заводе Робинз в Чикаго (США) производительностью 500 тыс. т/год. Нагрузка каждой из двух печей с ЦКС 25 т/ч. Крупность загружаемого материала 100 мм, минимальная теплота сгорания - около 2450 ккал/кг.

1 - экономайзер; 2 - конвективный пароперегреватель; 3 - циклоны

Рисунок 2.14 - Котел с ЦКС для сжигания бытовых отходов, установленный на предприятии Lomellina (Италия) [11]

Целесообразность сжигания отходов методом псевдоожижения должна определяться с учетом как достоинств, так и недостатков этого метода. К основным достоинствам последнего относятся:

1) интенсивное перемешивание твердой фазы, приводящее практически к полному выравниванию температур, концентраций и других параметров по объему псевдоожиженного слоя;

2) благоприятные гидродинамические условия, определяемые повышенной относительной скоростью газа;

3) незначительное гидравлическое сопротивление слоя;

4) возможность использования достаточно крупных отходов в твердом, жидком и пастообразном состоянии (для особо крупных отходов необходимо грубое измельчение перед подачей в реактор);

5) сравнительно простое устройство аппаратов и возможность их автоматизации;

6) отсутствие подвижных частей и механизмов в горячей зоне реактора;

7) при сжигании отходов в кипящем слое легко связываются кислотные соединения галогенов, серы и фосфора путем добавки в слой нейтрализующих соединений кальция.

К недостаткам метода псевдоожижения (как для стационарного, так и для циркулирующего слоя) относятся:

1) неравномерность времени пребывания в псевдоожиженном слое обрабатываемых частиц твердой фазы (например, одинаково возможны быстрый проскок частиц и их нахождение в слое дольше среднестатистического времени пребывания);

2) возможность спекания и слипания твердых частиц (для исключения возможности шлакования слоя его температура должна быть ниже температуры плавления золы отходов);

3) необходимость установки мощных золоулавливающих устройств на выходе газов из псевдоожиженного слоя, особенно при разном гранулометрическом составе отходов.

Вышеперечисленные недостатки могут быть устранены при использовании реакторов псевдоожиженного слоя нового, третьего (после стационарного и циркулирующего) поколения.

в) В Великобритании разработана технология сжигания твердого топлива в котле с вращающимся кипящим слоем. Эта работа была первым опытом вихревого или вращающегося кипящего слоя. Котел с кипящим слоем фирмы имеет наклонную решетку, разделенную на три секции с различным расходом воздуха в каждую из них, а часть переднего мембранного экрана расположена параллельно решетке и выполняет роль дефлектора. Вынужденная циркуляция кипящего слоя поддерживается не только конструктивным решением, но и вдувом твердого топлива в передней и задней стенках котла. В котлах данного типа успешно осуществлялось сжигание таких типов промышленных отходов, как отходы угля и кокса, раздробленные автомобильные покрышки, отходы гликоля. В Великобритании опробовано более 10 мелких установок с одновихревым кипящим слоем. Установки используются для обезвреживания промышленных, медицинских и твердых бытовых отходов, причем эксплуатируются они в 1-2 смену.

Японская фирма продолжила и усовершенствовала данную технологию, а также успешно внедрила ее на многих японских заводах по сжиганию ТКО. В Европе эта технология известна под названием Rowitec (см. рисунок 2.15).

1 - загрузка отходов; 2 - вращающийся кипящий слой; 3 - подача воздуха для создания кипящего слоя; 4 - выход дымовых газов; 5 - дефлектор (отражатель); 6 - выгрузка золы кипящего слоя (шлака); 7 - наклонная сопловая решетка

Рисунок 2.15 - Принцип действия вихревого кипящего слоя [19]

Технология сжигания во вращающемся кипящем слое Rowitec имеет три особенности.

Фурменное днище реактора (решетки) состоит из нескольких камер, через которые подаются различные потоки первичного воздуха с целью достижения псевдоожиженного слоя в сочетании с вращением. Наклонная решетка облегчает выгрузку шлака из реактора.

Дефлекторы (отражатели) над топочной камерой обеспечивают вращение слоя, определяют степень его расширения и уменьшают вынос теплоносителя, благодаря чему достигается точное геометрическое вращение слоя.

Два эллиптических вихря, вращающихся в противоположных направлениях, встречаются и соприкасаются в середине и обусловливают оптимальное распределение и интенсивное истирание отходов, обеспечивая сгорание отходов более чем на 99 %. После предварительного измельчения отходов до кусков менее 300 мм с помощью двух противодвижущихся шнековых питателей отходы перемещаются в топочную камеру, где поддерживается температура более 850 °C.

Для достижения полного сгорания токсичных компонентов в дымовых газах в зону, расположенную над кипящим слоем, вводится вторичный воздух, который способствует полному дожиганию дымовых газов при температуре 1100-1200°C.

В России указанная технология реализована в промышленном масштабе на МСЗ N 4 (промзона Руднево).

Технология вращающегося кипящего слоя хорошо зарекомендовала себя при сжигании следующих типов твердых и пастообразных органических отходов: ТКО; промышленные шламы, содержащие нефтепродукты; отходы пластмасс; сельскохозяйственные отходы; автомобильные покрышки.

Эксперименты, проведенные на огневом стенде, на двух опытно-промышленных установках в г. Пусан (Республика Корея) и в г. Орехово-Зуево (Московская обл.), показали большие перспективы использования локальных реакторов относительно небольшой мощности (до 200 кг/ч) с одновихревым вращающимся кипящим слоем для термического разложения твердых и пастообразных органических отходов. Применение одновихревого кипящего слоя с высокими удельными нагрузками значительно упрощает аппаратурное оформление процесса и обслуживание установки.

При обезвреживании крупнокусковых хлорсодержащих отходов (размер отдельных кусков - до 70 мм) обеспечивалась высокая экологическая эффективность процесса. В первой ступени реактора в зоне вращающегося слоя при температурах 800-900 °C в присутствии извести (CaO или Са(ОН)₂) осуществлялись выгорание основной массы органических веществ и нейтрализация хлористого водорода (HCl) с образованием CаCl₂.

Во второй ступени реактора - зоне дожигания - достигались полное окисление примесей (остаточная концентрация CO < 50 мг/м³) и нейтрализация карбонатом натрия (Na₂CO₃) остатков HCl (концентрация HCl в дымовых газах менее 10 мг/м³).

Технология сжигания осадков сточных вод в многоподовых печах

Сжигание осадков сточных вод практикуется во многих странах либо как отдельное сжигание, либо как совместное сжигание в установках для сжигания ТКО, либо в иных установках для сжигания (например в угольных электростанциях, в цементных печах). Сжигание осадков сточных вод имеет несколько отличий от сжигания ТКО и опасных отходов. Непостоянство содержания влаги в осадках и их теплоты сгорания, а также возможность смешивания с иными отходами (например, если системы канализации бытовых и промышленных стоков сообщаются между собой), требуют особого учета при погрузочно-разгрузочных работах и предварительной обработке этого вида отходов. При подготовке осадков сточных вод к сжиганию чрезвычайно важна предварительная обработка, особенно обезвоживание и сушка: обезвоживание сокращает объем осадка и увеличивает его теплоту сгорания. Как правило, требуется обезвоживание до содержания твердых веществ в осадках на уровне не менее 35 %. В случае если предполагается совместное сжигание с ТКО, может понадобиться дополнительная сушка [62].

Технология сжигания некондиционных газовых и газоконденсатных смесей в факеле открытого типа

Сжигание попутного нефтяного газа в факелах является одним из наиболее простых способов обезвреживания. Высокотемпературное окисление в основном используется для сжигания горючих компонентов некондиционных газовых и газоконденсатных смесей в открытом пламени.

Факельные установки открытого типа для сжигания подробно рассмотрены в разделе 2.9.6 "Факельные установки" информационно-технического справочника по наилучшим доступным технологиям ИТС 29-2017 "Добыча природного газа", утвержденного Приказом Росстандарта от 15 декабря 2017 г. N 2844.

2.3.2 Методы пиролиза

Пиролиз - процесс термического разложения отходов, содержащих органические вещества, под действием повышенной температуры без доступа или с ограниченным доступом кислорода с выделением твердого углеродсодержащего остатка, горючего пиролизного газа (пирогаза), жидких органических продуктов.

Метод пиролиза отходов предусматривает:

- термодеструкцию подготовленных отходов в реакторе для получения пирогаза и пиролизного масла и твердого остатка;

- конденсацию и сепарацию газовой фракции с получением жидкой фракции и пирогаза;

- очистку пирогаза от соединений хлора, фтора, серы, цианидов с целью повышения его экологических показателей и энергоемкости.

- сбор и сжигание очищенного пирогаза в топке котла-утилизатора для получения пара, горячей воды или электроэнергии или использование пирогаза для производства продукции;

- сбор пиролизного масла и твердого остатка.

На рисунке 2.16 показана общая схема пиролиза отходов.

Различают сухой и окислительный пиролиз:

а) окислительный пиролиз представляет собой процесс термического разложения отходов при их частичном сжигании или непосредственном контакте с продуктами сгорания топлива. В результате окислительного пиролиза образуется твердый углеродистый остаток (кокс). В дальнейшем кокс можно использовать в качестве твердого топлива или в других целях;

б) сухой пиролиз - метод термического обезвреживания отходов, обеспечивающий их высокоэффективное обезвреживание и использование в качестве топлива и (или) химического сырья. В зависимости от температуры различают три вида сухого пиролиза.

Под сухим пиролизом понимается процесс термического разложения отходов, твердого и жидкого топлива без доступа окислителя. В процессе сухого пиролиза отходов образуются пиролизный газ с высокой теплотой сгорания, жидкие продукты и твердый углеродистый остаток. Количественный и качественный состав продуктов сухого пиролиза зависят от состава обрабатываемых отходов и температуры процесса.

Рисунок 2.16 - Общая схема пиролиза отходов

Сухой пиролиз делится на три вида в зависимости от температуры:

1) низкотемпературный пиролиз при температуре 450-500 °C;

2) среднетемпературный пиролиз при температуре до 800 °C;

3) высокотемпературный пиролиз (900-1050 °C).

Методом пиролиза можно утилизировать автопокрышки, резинотехнические изделия, отходы пластмасс, ТКО, отработанные масла, некоторые медицинские отходы обеззараженные и другие отходы.

Подготовка отходов, направляемых на пиролиз, включает:

- сортировку отходов с целью извлечения балластных фракций (стекло, металлы, камни, мелкая фракция);

- сушку отходов;

- предварительное дробление отходов.

Процесс пиролиза отходов осуществляется в реакторах, имеющих внешний и внутренний обогрев. Внешний тип обогрева применяют в реакторах, имеющих исполнение в виде вертикальных реторт, или в барабанных реакторах вращающегося типа.

Способ утилизации отходов по технологии пиролиза заключается в их необратимом химическом изменении под действием повышенной температуры без доступа или с ограниченным доступом кислорода с выделением горючего пиролизного газа (пирогаза).

В реакторах пиролизные газы не разбавляются теплоносителями, сохраняя за счет этого высокую характеристику теплоты сгорания. Газ, получаемый в реакторе с внешним типом обогрева, содержит минимум пыли, ибо он не перемешивается с газовым теплоносителем, что является положительным моментом данного оборудования. Обычно теплоноситель пропускается через слой отходов с содержанием мелкодисперсных частиц.

В реакторах, имеющих внутренний обогрев (вертикальные шахтного типа, с псевдоожиженным слоем, барабанные вращающегося типа), в качестве теплоносителя применяют газы, но после их нагрева до 600-900 °С. Недостатком реакторов, имеющих внутренний обогрев, является повышение запыленности пиролизного газа в связи с применением газообразных теплоносителей. Однако внутренний обогрев конвекцией делает процесс пиролиза интенсивным, позволяет уменьшить габариты реакторов в сравнении с реакторами, имеющими внешний обогрев.

С санитарной точки зрения процесс пиролиза обладает лучшими показателями по сравнению со сжиганием. Количество отходящих газов, подвергаемых очистке, намного меньше, чем при сжигании отходов. Объем твердого остатка, получаемого по схеме высокотемпературного пиролиза, может быть значительно уменьшен. Твердый остаток можно использовать в промышленности (сажа, активированный уголь и др.). Таким образом, некоторые схемы пиролиза отходов могут быть безотходными.

Полученное пиролизное масло при деструкции некоторых видов отходов (например резинотехнических изделий и пластика, не поддающихся переработке) обладает достаточным качеством и при необходимости, может использоваться в качестве топлива или быть дополнительно очищено на ректификационной колонне с получением товарной продукции и топлива более высокого качества.

Коксовый остаток, образовавшийся при пиролизе, окисляется в оксид углерода, а инертные материалы оплавляются. В нижней части газогенератора находится зона плавления с максимальными температурами до 1650 °С. Расплавленный жидкий шлак выводится через шлаковую ванну; при этом расплавленный шлак, имеющий в основном силикатные компоненты, гранулируется и используется в промышленности строительных материалов.

Часть энергии получаемого газа (до 10-15 %) используется в самой системе для нагрева воздуха, подаваемого в зону сжигания реактора. Остальная энергия может быть передана потребителю непосредственно в виде газообразного топлива или в виде пара.

При использовании противоточных печей (ректоров) проявляются существенные недостатки. Пиролизные смолопродукты, формирующиеся в значительных количествах в верхней зоне (в зоне относительно низких температур), выносятся из печи восходящим (встречным) газовым потоком, загрязняя собой продуцируемый синтез-газ. Это ведет к необходимости тщательной многоступенчатой очистки синтез-газа, существенно усложняя процесс и увеличивая как стоимость оборудования, так и эксплуатационные расходы.

В прямоточных реакторах с нисходящим потоком продукты пиролиза, сформированные в верхней низкотемпературной зоне печи, проходят через нижнюю высокотемпературную зону реактора, где подвергаются термическому разложению. При этом увеличиваются выход горючего газа и его теплота сгорания и, что самое существенное, отпадает необходимость в очистке синтез-газа от смолопродуктов.

В отечественной практике обращения с резинотехническими и нефтесодержащими отходами известна технология термической деструкции сырья, которая реализуется в виде сухого низкотемпературного пиролиза (см. рисунок 2.17) при поддержании температуры в пиролизном реакторе до 550 °C. Кроме этого, в технологиях допускается реализация технологии сушки без доступа кислорода (с целью снижения влажности сырья), технологии регенерации отдельных категорий сырья (отходов растворителей и др.) методом дистилляции под атмосферным давлением, а также комбинированных технологий переработки сырья.

Рисунок 2.17 - Технологическая схема пиролиза с получением печного топлива

На рисунке 2.18 представлена технологическая схема пиролиза с использованием колосниковой печи. На рисунке 2.19 - технологии низкотемпературного пиролиза с использованием пара (термолиз).

Рисунок 2.18 - Технологическая схема пиролиза с получением топлива

Технология реализуется в следующей последовательности: разогрев и сепарация шлама, пиролиз шлама, охлаждение и конденсация пиролизного газа, охлаждение твердых продуктов пиролиза, сжигание газа и получение теплоносителя для нагрева реактора, охлаждение и очистка отработанного теплоносителя.

Указанный технологический комплекс может найти широкое применение для утилизации нефтешламов, резинотехнических изделий и т.д.

Рисунок 2.19 - Технологическая схема термолизной переработки нефтешламов

Принципиальная схема процесса высокотемпературного пиролиза в практике температурного обезвреживания отходов представлена на рисунке 2.20. В соответствии с ней во вращающейся печи образуются пирогазы. Последние появляются при первичной термической обработке в условиях недостатка кислорода. Это оправдано с точки зрения экономии энергоресурсов, так как получаемый пирогаз имеет значительное количество недоокисленных компонентов, обладающих высокой теплотворной способностью. Причем доокисление пирогаза может проводиться при условии поддержания температуры самовоспламенения и избытка воздуха.

Рисунок 2.20 - Технологическая схема высокотемпературного пиролиза

Технология может быть реализована в мобильном исполнении, что расширяет функциональные возможности ее использования.

2.3.3 Методы газификации

Газификация отходов - процесс термической обработки отходов, содержащих органические вещества, окислителем с расходом ниже стехиометрического, с получением генераторного газа (синтез-газа) и твердого или расплавленного минерального продукта.

На рисунке 2.21 показана общая схема газификации отходов с получением материальной продукции.

На первой стадии происходят измельчение и сушка отходов (сырья) до влажности 25-30 % для обеспечения равномерной подачи отходов на следующую стадию.

Подготовленные отходы (сырье), воздух и водяной пар параллельно подаются в реактор, в котором происходит термическая деструкция отходов при температуре 600-1000 °С и атмосферном давлении с получением высококалорийного синтетического газа и зольного остатка.

Полученный синтетический высококалорийный газ подвергается предварительной очистке от зольного остатка в конденсаторах-сепараторах при температуре до 900 °С. Предварительно очищенный газ проходит стадию охлаждения до 40 °C с отводом дистиллята в холодных конденсаторах-сепараторах и тонкой очистки от механических примесей с помощью фильтров.

Рисунок 2.21 - Общая схема газификации отходов

В результате полученный синтетический газ накапливается для дальнейшего использования.

Схема технологического процесса газификации углеводородсодержащих отходов представлена на рисунке 2.22.

Углеводородсодержащее сырье подвергают термической обработке в недостатке окислительных компонентов сжигаемой смеси. Синтез-газ очищается от твердых частиц и капель, происходит охлаждение и конденсация. Для удаления капель различной плотности необходимо использовать систему циклонов. После этого смесь подвергают ректификации для выделения органических фракций в температурном диапазоне 180-300 °C. Более легкая фракция рециркулируется в реактор в паровой фазе. Кубовая часть ректификационной колонны (блок 16 на рисунке 2.22) подается в реактор (позиция 6 на рисунке 2.22) через верхнюю крышку.

Реактор работает по циклическому принципу, в непрерывном режиме. Синхронизация стадий загрузки сырья и насадка с выгрузкой насадки и золы позволяют увеличить качество продуктов. Контроль и корректировка зоны горения с помощью введения воздуха и пара способствуют оптимизации технологического процесса.

В качестве конечных продуктов образуются: легкие жидкие углеводороды (жидкое топливо - дизельное топливо, бензин), метанол, аммиак (карбамид, сульфат аммония).

Рисунок 2.22 - Технологическая схема газификации углеводородсодержащих отходов

Метод газификации по сравнению с методом сжигания имеет следующие преимущества:

- получаемые горючие газы могут использоваться в качестве энергетического и технологического топлива, в отличие от метода сжигания, при котором практически возможно только энергетическое использование теплоты отходов;

- смола, полученная методом газификации, может применяться как жидкое топливо и как химическое сырье;

- уменьшение выбросов золы и сернистых соединений в атмосферу.

Технология газификации в фильтруемом плотном слое

В нашей стране и за рубежом разрабатываются и исследуются на опытных и демонстрационных установках процессы пиролиза и газификации твердых и пастообразных органических отходов в шахтных печах в фильтруемом плотном слое.

В России выполнены разработки шахтных газификаторов типа доменных печей с жидким шлакоудалением, однако эти разработки не реализованы в промышленности. Пока не внедрен в практику и шахтный пиролиз твердых коммунальных отходов с плазменным нагревом ("плазменный пиролиз и остеклование ТКО").

В России разработан процесс паровоздушной газификации конденсированных топлив и горючих отходов в фильтруемом плотном слое с последующим дожиганием горючих газов, осуществляемый в шахтных и наклонных вращающихся газогенераторах.

На стадии предварительной подготовки, предпочтительно совмещенной с извлечением из отходов вторичных материалов, имеющих товарную ценность, производится измельчение и, при необходимости, сушка топлива (отходов) до влажности 25-30 % для обеспечения равномерной подачи отходов на стадию газификации.

Перерабатываемые отходы загружаются в реактор сверху через шлюзовую камеру совместно с кусковым огнеупорным материалом - твердым теплоносителем. Снизу в реактор подаются воздух и водяной пар. Отбор генераторного газа происходит в верхней части реактора, а выгрузка зольного остатка в смеси с твердым теплоносителем - в нижней. Продвижение рабочей массы в реакторе происходит под действием собственного веса.

По высоте газогенератора располагается несколько характерных зон.

В самых верхних слоях топливной загрузки температура держится в пределах 100-200 °С. Здесь происходит подсушка вновь поступившего топлива, продуваемого генераторным газом. В результате генераторный газ охлаждается и до некоторой степени насыщается водяным паром. При фильтрации газа сквозь слой свежезагруженного топлива происходит нейтрализация кислых газов (хлороводорода, фтороводорода) минеральными компонентами топливной загрузки. Частицы пыли из генераторного газа прилипают к свежезагруженному топливу и кусковому твердому теплоносителю.

Ниже располагается зона, где преобладают процессы пиролиза и возгонки. В бескислородной среде происходит термическое разложение и коксование органической массы. Здесь генераторный газ обогащается летучими продуктами пиролиза.

В средней части реактора при температурах 900-1200 °C происходит реакция коксового остатка с кислородом, парами воды и диоксидом углерода с образованием CO и Н₂. Часть углерода сгорает полностью с образованием диоксидом углерода, за счет чего в зоне газификации поддерживается необходимая температура.

В самой нижней части реактора лежит зона окончательного охлаждения твердого остатка до температуры около 100 °С. Зольный остаток выгружают из реактора по мере накопления. Производят фракционирование (рассев) твердого остатка и выделенный твердый теплоноситель повторно используют для загрузки со свежими порциями топлива. Зола не содержит остаточного углерода и может быть направлена для последующей переработки или безопасного размещения. Генераторный газ, выводимый из реактора, содержит значительное количество азота (из воздуха, подаваемого для газификации), водяного пара и пиролизных смол (влаги топлива и продуктов пиролиза), поэтому его транспортировка и накопление являются нерациональными, и он сжигается в горелочном устройстве, расположенном в непосредственной близости к реактору-газогенератору, для выработки тепловой энергии, например, в паровом котле. При необходимости тепловая энергия с использованием типовых устройств (турбина, ГПУ), может преобразовываться в электрическую.

На рисунке 2.23 показана схема газификации отходов в смеси с твердым теплоносителем в противоточном реакторе с последующим сжиганием генераторного газа для получения энергии.

Рисунок 2.23 - Схема процесса газификация-сжигания отходов с использованием оборотного твердого теплоносителя

Метод газификации в плотном слое с использованием твердого теплоносителя имеет следующие преимущества:

- высокий энергетический КПД газификации (до 95 %), позволяющий перерабатывать отходы с низким содержанием горючих компонентов;

- сжигание горючего газа в горелочном устройстве обеспечивает эффективное смешение горючего газа с воздухом, что предотвращает образование вторичных атмосферных загрязнителей: полиароматических углеводородов и сажи, окиси углерода, окислов азота;

- обеспечивается низкое содержание в дымовых газах пыли, в том числе возгонов тяжелых металлов;

- обеспечиваются низкие концентрации в дымовых газах хлороводорода и фтороводорода;

- отсутствие в дымовых газах полиароматических соединений, соединений хлора и частиц пыли предотвращает образование при охлаждении дымовых газов de novo полихлорированных дибензодиоксинов и дибензофуранов;

- зольный остаток не содержит остаточного углерода и высоких концентраций полихлорированных дибензодиоксинов и дибензофуранов.

Вышеперечисленные особенности процесса позволяют многократно снизить затраты на газоочистное оборудование для предотвращения выбросов загрязнителей в атмосферу, позволяет предотвратить коррозию энергогенерирующего оборудования и повысить его эффективность, обеспечивают безопасное и незатратное обращение с твердыми остатками термической переработки (золой).

Реактор-газогенератор может быть выполнен как в виде вертикального шахтного, так и в виде наклоненного под углом близким к 45° вращающегося реактора. В шахтном реакторе может перерабатываться топливо (отходы), имеющее форму крупных кусков или предварительно брикетированное. В наклонном вращающемся реакторе перерабатывается (газифицируется) топливо, имеющее неоднородную структуру и поэтому склонное к образованию в слое каналов (прогаров) при фильтрации газа-окислителя. Вращение реактора обеспечивает устранение прогаров при вращении под действием собственного веса топлива и кусков твердого теплоносителя. При этом описанное выше чередование характерных зон в плотном слое топливной загрузки идентично как у шахтного, так и у наклонного реакторов.

В России имеется опыт эксплуатации установки термического разложения пастообразных отходов (закалочных масел).

Процесс газификации в плотном фильтруемом слое пригоден для термической утилизации твердых топлив и горючих отходов, в том числе, дробленых, разнодисперсных, сыпучих, газопроницаемых, пастообразных, высокозольных. При этом, крупногабаритные твердые отходы требуют предварительного измельчения до фракции менее 150 мм в главном измерении. Хороший результат достигается при утилизации разнофракционного топлива типа ТКО. Производительность одной единицы оборудования по топливу в 20 000 тонн в год вкупе с возможностью его модульного принципа позволяет эффективно применять его для строительства комплексов по утилизации ТКО в большинстве городов Российской Федерации. Дополнительная возможность использования получаемой при этом энергии в коммунальном хозяйстве улучшают экономические показатели проекта и сокращают срок окупаемости вложенных средств.

Следует обратить внимание на то, что отходы, содержащие значительное количество плавящихся при низких температурах минеральных компонентов, трудно перерабатывать методом газификации в плотном слое.

2.3.4 Методы, основанные на комбинированных методах (пиролиз-сжигание и др.)

Комбинированные методы. Применяемые технологии редко могут быть сведены к одному виду физико-химических превращений. Как правило, имеют место комбинированные процессы, являющиеся сочетанием двух и более типов превращений, один из которых может быть преобладающим.

Как правило, используются комбинированные термические методы деструкции отходов, включающие процессы "пиролиз-сжигание" и "пиролиз-газификация" (см. рисунок 2.24).

Рисунок 2.24 - Общая схема термического комбинированного метода

Внедрение технологических схем и направлений их интеграции предусматривает использование общих узлов (система очистки отходящих газов, снабжение энергоресурсами и т.д.).

Примером реализации комбинированных методов в отечественной практике являются технологические системы, представленные на рисунках 2.25-2.27.

На рисунке 2.25 представлена технологическая схема установки сжигания осадков водоочистных сооружений и избыточного активного ила. Процессу термического обезвреживания предшествует обработка на ленточном фильтр-прессе. В блоке 3 проводится пиролиз, в блоке 4 - термодесорбция. Отбивка золы уноса выполняется блоком циклонов. Пирогазы сжигаются в блоке 6 с последующей парогенерацией. Очистка дымовых газов реализуется в рукавных фильтрах с предварительным впрыском активных сорбентов.

Технология утилизации и обезвреживания нефтяных шламов и осадков очистных сооружений представлена на рисунке 2.26. Сжиганию в кипящем слое предшествует декантация на трехфазной центрифуге и декантере.

Технологический процесс, представленный на рисунке 2.27, может быть использован для многотоннажного обезвреживания различных отходов.

Рисунок 2.25 - Технологическая схема комбинации пиролиза, термодесорбции, сжигания

Рисунок 2.26 - Технологическая схема комбинации физико-химической обработки отходов и сжигания

Рисунок 2.27 - Технологическая схема комбинации пиролиза и сжигания

При обосновании системы аналитического контроля по основным стадиям технологических процессов использованы результаты оценки уровней воздействия и потребления в сфере утилизации и обезвреживания отходов термическими способами.

2.3.5 Методы, основанные на применении плазменных источников энергии

В последние годы в зарубежной и отечественной технической литературе появился огромный массив материалов, в большей степени рекламного характера, по использованию плазменных источников энергии (электродуговых генераторов) в установках высокотемпературной переработки различных отходов, содержащих органические вещества (твердых бытовых, промышленных и медицинских).

Следует отметить, что во многих публикациях используется, по нашему мнению, неточный термин, например "плазменная газификация", хотя рассматривается процесс термической переработки - неполного окисления органических веществ, к которому плазма не имеет непосредственного отношения. Плазма выступает в роли источника энергии, то есть генератора высокотемпературных газов - заменителя продуктов сгорания органического топлива.

Основными вариантами использования плазменных источников энергии в технологиях высокотемпературной переработки и обезвреживания твердых бытовых, промышленных и медицинских отходов являются:

- плазмохимическая ликвидация супертоксикантов непосредственно в плазменной дуге;

- воздействие на слой токсичных отходов ударной плазменной струей;

- термическое обезвреживание отходов в плотном фильтруемом слое с использованием плазменных источников энергии;

- дожигание отходящих из печей газов с помощью плазменных источников энергии.

2.3.5.1 Плазмохимическая ликвидация супертоксикантов

Жидкие и диспергированные (пылевидные) твердые отходы, содержащие стойкие органические загрязнители, могут подвергаться обезвреживанию непосредственно в плазменной дуге [2]. При температурах выше 4000 °C за счет энергии электрической дуги в плазмотроне молекулы кислорода и отходов расщепляются на атомы, радикалы, электроны и положительные ионы. При остывании в плазме протекают реакции с образованием простых соединений (CO₂, Н₂О, HCl, HF, P₄O₁₀ и др.). Степень разложения полихлорированных дибензодиоксинов и фуранов (ПХДД и ПХДФ), полихлорбифенилов (ПХБ), хлор-, фтор-, сера-, фосфорсодержащих пестицидов достигала 99,9999 %. Испытания, включающие деструкцию смесей CCl₄ с метилэтилкетоном и водой и деструкцию трансформаторного масла, содержащего 13-18 % ПХБ и столько же трихлорбензола, показали, что эффективность уничтожения хлорсодержащих компонентов превышала 99,9995 % [2].

При обезвреживании хлорсодержащих отходов в результате разрушения химических связей между атомами исходных соединений в плазме образуется большое количество ионов хлора, которые при медленном остывании отходящих газов (отсутствии эффективной их закалки) взаимодействуют с ионами углерода, кислорода и водорода, вновь образуя вторичные супертоксиканты, в том числе ПХДД И ПХДФ.

В России в 2007 году разработан способ утилизации жидких отходов, содержащих ПХБ, заключающийся в их предварительном испарении и подаче непосредственно в струю плазмообразующего газа [23]. Ввод отходов осуществляется совместно с нейтрализующим агентом - негашеной известью, измельченной до крупности менее 74 мкм. Связывание хлора в CaCl₂ предотвращает синтез вторичных органических супертоксикантов.

Отечественными специалистами также разработаны технология и реактор для плазменной переработки пестицидов (см. рисунок 2.28). Отличительной особенностью этой технологии является нейтрализация кислотных газов в системе мокрой очистки за ступенью закалки отходящих газов.

Рисунок 2.28 - Технологическая схема установки для плазменной переработки пестицидов [23]

Высокие затраты энергии и сложность аппаратурного оформления реакторов ограничивают возможности широкого применения способа окислительного обезвреживания отходов непосредственно в плазменной струе.

Более перспективным является применение способа с впрыском жидких отходов в плазменную струю для переработки отходов в восстановительной среде с целью получения ценных товарных продуктов.

В СССР, например, был разработан и доведен до стадии опытно-промышленных испытаний пиролиз жидких хлорорганических отходов в низкотемпературной восстановительной плазме, позволяющий получать ацетилен, этилен, хлористый водород и продукты на их основе [24].

Принципиальная схема плазмохимической установки для переработки хлорорганических отходов в органические продукты приведена на рисунке 2.29.

1 - источник электропитания; 2 - плазмотрон; 3 - реактор; 4 - закалочное устройство; 5, 9 - теплообменники; 6 - фильтр; 7 - компрессор; 8 - реактор селективной очистки; 10 - реактор синтеза; 11 - колонна разделения.

I - плазмообразующий газ; II - отходы; III - закалочный агент; IV - хладагент; V - технический углерод; VI - хлор; VII - органические продукты; VIII - кубовый остаток

Рисунок 2.29 - Принципиальная схема плазмохимической установки переработки хлорорганических отходов [24]

Технологический процесс состоит из следующих стадий:

- пиролиз отходов;

- очистка газов пиролиза (пирогаза) от технического углерода;

- очистка газов пиролиза от гомологов ацетилена и углеводородов (С₃, С₄);

- синтез хлорорганических продуктов.

Пиролиз отходов осуществляется в плазмоагрегате, состоящем из плазмотрона 2, плазмохимического реактора 3, закалочного устройства 4. Питание плазмотрона осуществляется от системы электропитания 1.

Плазмоагрегат работает следующим образом: плазмообразующий газ нагревается в плазмотроне до среднемассовой температуры 3500-5000 K, затем в виде низкотемпературной плазмы поступает в плазмохимический реактор, куда форсунками впрыскиваются хлорорганические отходы. При смешении отходов с плазмой происходит их испарение, пиролиз с получением олефиновых углеводородов, HCl и сажи (технического углерода). Полученный газ подвергают скоростной закалке в закалочном устройстве, а затем охлаждают, очищают от сажи, осуществляют селективную очистку от гомологов ацетилена и углеводородов (С₃, С₄). Очищенный газ направляют на синтез хлорорганических продуктов.

Производительность установки по отходам - 750 кг/ч, энергозатраты на переработку отходов - не более 2 /кг.

2.3.5.2 Воздействие на слой токсичных отходов ударной плазменной струей

В 1990-х годах в Швейцарии была разработана и внедрена в г. Muttenz установка высокотемпературного обезвреживания опасных отходов мощностью 1 т/ч (см. рисунок 2.30) [25]. Центральным элементом установки является центрифуга с расположенной в ней плазменной горелкой. Отходы в бочках питателем подаются в медленно вращающуюся водоохлаждаемую центрифугу, где они распределяются на поду печи. Плазменная горелка постоянного тока мощностью 1,2 МВт нагревает материал и разрушает токсичные органические вещества. На поду образуется расплав минеральных компонентов с температурой 1600 °C. Термическая деструкция органических компонентов осуществляется главной плазменной горелкой. Образующиеся газы через пережим, в котором устроена еще одна горячая зона с помощью второй плазменной горелки мощностью 0,3 МВт, поступают в окислительную камеру, в которой они находятся в течение 2 с при 1200 °C.

Технология и установка плазмохимического уничтожения ПХБ-содержащих конденсаторов предложена американской фирмой. Плазменно-дуговая центробежная установка разрабатывалась фирмой с 1985 года [26].

Drum feed chamber - камера для бочек;

Drum manipulator - манипулятор для бочек;

0,3 MW Plasma torch - плазмотрон мощностью 0,3 МВт;

Rotating electrode (for opening drums) - вращающийся электрод (для открытия бочек);

1,2 MW Plasma torch - плазмотрон мощностью 1,2 МВт;

200-liter Drum - 200-литровая бочка;

Pyrolysis chamber - камера пиролиза;

Centrifuge - центрифуга;

Melt bath - ванна расплава;

Plasma arc (to 20,000 °C) - плазменная дуга (до 20 000 °C);

Oxygen jets - кислородные струи;

Off-gas - отходящие газы;

Oxidation chambers - камера окисления;

Pig iron mold container - контейнер для чугуна;

Slag removal chamber - шлаковая камера

Рисунок 2.30 - Установка высокотемпературного обезвреживания опасных отходов [25]

ПХБ-содержащие конденсаторы измельчаются в специальном устройстве и шнековым питателем подаются в первичную камеру переработки. В реакционную зону первичной камеры подаются кислород (воздух) и отходы, на которые воздействует поток плазмы из электродугового плазмотрона. При высокой температуре в первичной камере переработки (температура в реакционной зоне до 1300 °C) происходят деструкция ПХБ (пиролиз и сжигание) и плавление неорганических компонентов отходов. В результате образуются газообразные отходы, направляемые на дальнейшую переработку, и шлак.

При вращении центрифуги происходит равномерный прогрев и перемешивание отходов и шлакового расплава, благодаря чему достигается высокая степень деструкции ПХБ и других токсичных компонентов отходов. Газообразные отходы поступают во вторичную камеру переработки. Все газы, выходящие из первичной камеры, должны выдерживаться в этой камере при температуре не ниже 980 °C не менее 2 с при концентрации кислорода не менее 6 %.

Специалистами Республики Беларусь разработана, изготовлена и испытана плазменная камерная печь периодического действия мощностью до 50 кВт и производительностью 20-30 кг/ч [27]. Печь предназначена для обезвреживания сравнительно небольших объемов медико-биологических отходов. После загрузки отходов в количестве примерно 10-15 кг и включения плазмотрона цикл их переработки (сжигания) составляет 10 мин. и зависит от состава отходов. После завершения цикла работы плазмотрон выключается и печь переходит в режим остывания и разгрузки шлака. Суммарное время реализации всех стадий составляет около 30 мин., после чего печь готова к следующей загрузке и включению.

Плазменная установка переработки инфицированных медицинских отходов построена на территории Московской городской инфекционной клинической больницы N 1 [28], [29]. Принципиальная технологическая схема установки приведена на рисунке 2.31.

Основу оборудования составляет двухкамерная кессонная металлургическая печь с ванной расплава шлака и металла и плазмотроном на боковой стенке, обеспечивающим температурный уровень от 2000 °C до 5000 °C. Максимальная проектная пропускная способность по отходам - 60 кг/ч (500 т в год).

По причине ряда технических и экономических факторов указанная установка не была введена в постоянную эксплуатацию.

Рисунок 2.31 - Технологическая схема плазменной установки для обезвреживания медицинских отходов [28]

В целом рассмотренная технология обработки неподвижного слоя токсичных отходов ударной плазменной струей характеризуется низкой эффективностью тепло- и массообмена. Существенное усложнение установки за счет встроенной центрифуги для перемешивания расплава на поду печи кардинально не повышает эколого-технологические параметры процесса.

2.3.5.3 Термическое обезвреживание отходов в плотном фильтруемом слое

Наибольшее распространение в практике пиролиза и газификации твердых бытовых, промышленных и медицинских отходов нашли вертикальные шахтные печи.

Классическим примером противоточной шахтной печи для пиролиза твердых отходов является реактор [30], представленный на рисунке 2.32. Через узел загрузки упаковки с отходами поступают в верхние слои шахты и, опускаясь под действием силы тяжести, нагреваются за счет теплоты газов, движущихся вверх им навстречу.

Источником энергии служат дуговые плазмотроны, установленные в подовой части печи над ванной. В качестве плазмообразующего газа используется воздух. Применение воздушных плазмотронов достаточной мощности позволило отказаться от дополнительного топлива. В верхней части печи отходы проходят стадии сушки и пиролиза, сопровождающиеся интенсивным газовыделением.

В высокотемпературной зоне шахтной печи в нижних слоях отходов происходит возгонка летучих соединений. В то же время в среднем и верхнем уровнях шахты печи, в зоне относительно низких температур, эти соединения концентрируются и сорбируются в слое отходов.

Коксовый остаток в значительной степени выжигается, а минеральные компоненты плавятся и поступают в зону накопления расплава.

1 - узел загрузки; 2 - шахта; 3 - под; 4 - бокс приема шлака; 5 - плазмотрон; 6 - стопор; 7 - выход пирогаза

Рисунок 2.32 - Плазменная шахтная печь для переработки твердых радиоактивных отходов [30]

Шахтная печь для термической переработки твердых бытовых, промышленных и медико-биологических отходов с агрегатной нагрузкой до 200 кг/ч разработана в Республике Беларусь [32], [33]. В качестве плазменных горелочных устройств применяются электродуговые плазмотроны постоянного и переменного тока.

Шахтный процесс переработки дал возможность реализовать режим противотока при нагревании и термической обработке отходов, охлаждение и фильтрацию отходящих газов непосредственно в самом слое. Для этого в состав шихты добавляли органический фильтрующий материал - мелкие древесные опилки.

Глубокое регенеративное использование теплоты отходящих газов, присущее описанным выше противоточным шахтным печам пиролиза и газификации органических отходов, обеспечивает минимальные затраты дополнительной энергии на процесс. Однако при использовании противоточных печей (ректоров) проявляются и существенные недостатки. Пиролизные смолопродукты, формирующиеся в значительных количествах в верхней зоне (в зоне относительно низких температур), выносятся из печи восходящим (встречным) газовым потоком, загрязняя собой продуцируемый синтез-газ. Это ведет к необходимости тщательной многоступенчатой очистки синтез-газа, существенно усложняя процесс и увеличивая как стоимость оборудования, так и эксплуатационные расходы.

Рассмотрим прямоточный газогенератор, разработанный в России [34]. Реактор-газификатор (см. рисунок 2.33) представляет собой вертикальную шахту, футерованную огнеупорным кирпичом. Отход, загружаемый через верхнюю крышку, полностью заполняет внутренний объем реактора и лежит на колосниковой решетке, расположенной в нижней части шахты.

Плазмотрон установлен на одном из боковых фланцев, и поток горячей плазмы распределяется по окружности шахты через ряд боковых, равномерно расположенных отверстий. Полученный в результате синтез-газ отбирается из нижней части реактора.

Проведение процесса газификации при температуре более 1200 °C позволяет избежать появления в синтез-газе жидких фракций (смол). Высокая температура процесса обеспечивает разрушение токсичных органических составляющих отходов и при наличии в отходах хлорсодержащих примесей исключает синтез вторичных супертоксикантов (ПХДД и ПХДФ) [35].

1 - узел загрузки; 2 - накопительный бункер; 3 - генератор плазмы; 4 - шахта реактора; 5 - отверстия ввода дополнительного дутья; 6 - датчики температуры; 7 - выход продукт-газа; 8 - вращающийся колосник; 9 - водяной затвор

Рисунок 2.33 - Реактор-газификатор [34]

В целом следует заметить, что технология высокотемпературной прямоточной газификации отходов имеет больший потенциал эффективной работы, чем процесс пиролиза, что обусловлено высокой температурой процесса, почти полной конверсией углеродсодержащих веществ в синтетический горючий газ, а также получением безвредного неорганического шлака.

С повышением температуры в реакторе до величин порядка 1100-1200 °C за счет использования плазменно-дуговых источников энергии возникла возможность и целесообразность использования в качестве теплоносителя и реагента-окислителя водяного пара.

Помимо существенного повышения теплоты сгорания синтез-газа, а следовательно, общей энергетической эффективности процесса газификации, использование Н₂О в качестве плазмообразующего газа исключает разбавление целевого продукта инертным (балластным) компонентом - азотом воздуха, не создает вредных примесей оксидов азота, упрощая систему газоочистки и сокращая объемы ее аппаратов.

Эти два фактора повышают энергетическую и экологическую привлекательность высокотемпературной паровой газификации твердых бытовых, промышленных и медицинских отходов.

2.3.5.4 Дожигание отходящих из печей газов с помощью плазменных источников энергии

В последние годы практикуется двухступенчатое термическое обезвреживание органических отходов: в первой ступени, реализуемой в виде камерной, барабанной, шахтной печи или реактора псевдоожиженного слоя, осуществляется неполное сжигание, пиролиз или газификация отходов, а во второй ступени проводится дожигание продуктов неполного горения (углерод, Н₂, CO, C_nH_m, смолы), поступающих с газообразным потоком из первой ступени [7]. Отдельные разработчики (например Франция) предлагают использовать в камерах дожигания плазменный источник энергии. Аналогичное решение применил ряд российских фирм и организаций, установив плазмотроны в камере дожигания газов пиролиза, отходящих из шахтной печи [37].

Однако расчетные и экспериментальные исследования показывают, что плазменные генераторы не могут обеспечить эффективное перемешивание относительно большого объема дымовых газов с поддержанием их температуры на уровне 1200-1250 °C при времени их пребывания при указанной температуре не менее 2 с.

Опыт свидетельствует, что только применение футерованной цилиндрической камеры дожигания с тангенциальным вводом дополнительного газообразного или жидкого топлива приводит к эффективному турбулентному перемешиванию газообразных продуктов и практически полному окислению остаточных органических соединений отходящих газов.

2.3.5.5 Технология плазменной газификации

Технология плазменной газификации для обезвреживания разнородного исходного сырья при его минимальной подготовке уникальна. Установка плазменной газификации работает при температуре, превышающей 5500 °С, гарантируя практически полное преобразование исходного сырья в синтетический газ. Неорганические вещества выводятся у основания газификатора в виде сплава металлов и инертного шлака типа базальта, который охлаждается и превращается в неопасный невыщелачиваемый продукт.

Совокупная энергия, извлеченная из исходного сырья, переработанного газификатором, составляет примерно 80 %. Вторичный энергетический ресурс представляет собой чистый, высококалорийный синтетический газ, который можно использовать для генерации энергии, получения жидкого топлива или иной химической продукции. Для поддержания процесса газификации, на питание плазменных факелов, расход энергии составляет только 2-5 %.

Каждый реактор оснащаются шестью плазматронами с мощностью каждого от 300 до 800 кВт. В нормальных условиях плазматроны работают при 600 кВт.

Технологическая схема плазменной газификации приведена на рисунке 2.34.

Рисунок 2.34 - Технологическая схема плазменной газификации

Процесс превращения органических компонентов смеси опасных отходов в синтез-газ и превращения неорганических компонентов в расплавленный шлак осуществляется в двух стандартных реакторах-газификаторах. В процессе поглощаются кислород и водяной пар. Высокая температура способствует значительному ускорению различных химических реакций газификации и позволяет сплавить неорганические компоненты отходов.

Для более полной газификации материалов реакторы продуваются потоком воздуха с 95 %-ным содержанием кислорода. Система снабжения кислородом представляет собой сжижающую установку разделения воздуха, которая работает по принципу охлаждения воздуха под давлением до сжижения с последующим отделением газообразного азота в ректификационной колонне.

Синтез-газ из реактора-газификатора направляется в скруббер Вентури, а затем в колонну с распылительным орошением для охлаждения, очистки от пыли, хлороводорода и прочих нежелательных примесей.

2.4 Методы очистки дымовых газов

В процессе полного сгорания отходов основными компонентами дымовых газов являются водяные пары, азот, диоксид углерода и кислород. В зависимости от состава сжигаемого материала, эксплуатационного режима и системы очистки дымовых газов производятся выбросы кислых газов (окислов серы, окислов азота, хлористого водорода), твердых частиц (включая связанные в частицах металлы), широкого спектра летучих органических соединений, а также летучих металлов (таких как ртуть). Также доказано, что сжигание твердых коммунальных отходов и опасных отходов приводит к непреднамеренному образованию и выбросу стойких органических загрязнителей (ПХДД/ПХДФ, ПХБ, ГХБ), потенциально могут иметь место выбросы полибромированных дибензодиоксинов (ПБДД) и полибромированных дибензофуранов (ПБДФ).

Устройства очистки дымовых газов являются обязательной составляющей технологий сжигания отходов. Системы очистки дымовых газов предназначены для снижения потенциальной опасности выбросов и улавливания максимального количества вредных веществ, образующихся в результате процессов сжигания отходов. В этих целях системы газоочистки соединяются с вытяжными системами мусоросжигательных печей. Различают сухие, полусухие и мокрые системы очистки дымовых газов. Следует учитывать, что мокрые системы очистки дымовых газов могут работать с образованием сточных вод.

Для снижения выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух применяется многоступенчатая очистка. Рассмотрим пример трехступенчатой очистки. Нейтрализация кислых компонентов дымовых газов осуществляется на первой ступени очистки, в абсорбере, с помощью извести. Глубокая очистка от летучей золы и сорбция тяжелых металлов и диоксинов происходит на второй ступени - в рукавном фильтре - через слой извести и активированного угля на фильтровальной ткани. Третья ступень очистки дымовых газов направлена на восстановление содержащихся в дымовых газах оксидов азота до молекулярного азота с использованием аммиачной воды.

Ниже приводится краткое описание основных технологических подходов к очистке дымовых газов.

1) Зола-унос содержит преимущественно летучие тяжелые металлы, а также значительное количество органических соединений, в том числе диоксины/фураны. Для улавливания зол в основном применяются тканевые или электрические фильтры. В таблице 2.1 приведен обзор принципиальных характеристик обеих технологий улавливания золы-уноса.

Таблица 2.1 - Характеристики различных систем фильтрации дымовых газов

	Электрофильтр	Тканевый фильтр
Концентрация в очищенных газах	< 5 мг/м³	< 1 мг/м³
Преимущества	- высокая степень очистки; - низкие затраты на техобслуживание;	- очень высокая степень очистки; - низкий объем инвестиций
Недостатки	- высокий объем инвестиций; - способствует синтезу диоксинов и фуранов в процессе "де-ново"	- высокие затраты на техобслуживание ввиду перепада давления, необходимость смены фильтра
Отходы	золы	золы

2) Кислые газы HCl, SO₂, HF можно удалять из дымовых газов сухим, квазисухим и мокрым способами. К наиболее широко распространенным системам мокрого и квазисухого удаления относятся:

- трехступенчатые скрубберы (мокрое удаление HCl раствором извести);

- трехступенчатые скрубберы с выпариванием воды с помощью распылительной сушилки в горячем дымовом газе (мокрое);

- распылительные адсорберы (квазисухое поглощение).

Также могут применяться и сухие системы очистки дымовых газов. Особенность этих систем заключается в распылении известкового молока на основе жженой извести или гидроокиси кальция в потоке дымовых газов. Предварительно дымовой газ пропускается через систему охлаждения. Загрязненное известковое молоко улавливается тканевыми фильтрами. Сухая очистка дымовых газов позволяет существенно снизить концентрацию вредных веществ в очищенном газе. Недостатком описанных технологий является образование опасных отходов. С другой стороны, они требуют меньшего объема инвестиций.

3) Для очистки дымовых газов от золы и оксидов серы может применяться кольцевой эмульгатор.

Запыленные дымовые газы через тангенциальный вход поступают в нижнюю часть корпуса и через завихритель входят в закрученном виде в среднюю часть эмульгатора. По трубе на конус завихрителя подается орошающая вода, образуя вращающийся слой газожидкостной эмульсии, через которую фильтруются очищаемые газы. Пульпа с уловленной золой сливается в канал гидрозолоудаления.

Дымовые газы после промывки в эмульсионном слое проходят через второй завихритель (раскручиватель), который усиливает вращательное движение. Каплипульпы, возникающие на верхней границе эмульсионного слоя, под действием центробежных сил сепарируются на стенку корпуса. Очищенные от пыли и капель газы удаляются через выходной газоход.

Очищенные в пенном слое газы имеют низкую температуру и высокую относительную влажность, поэтому для исключения образования конденсата в газовом тракте после газоочистителя и предотвращения сернокислотной коррозии металлических поверхностей в газоход после кольцевого эмульгатора смесителем подается горячий воздух, который повышает температуру очищенных газов.

Подача в орошающую воду щелочных добавок позволяет в одном аппарате осуществлять глубокую очистку дымовых газов не только от золы, но и на 96-99 % от оксидов серы.

4) Оксиды азота. Если образование оксидов азота не может быть предотвращено путем выбора соответствующей технологии сжигания, то можно использовать два способа их удаления из дымовых газов:

- некаталитический способ СНКВ (Selective Non Catalytic Reduction);

- каталитический способ СКВ (Selective Catalytic Reduction).

Некаталитический способ (СНКВ) позволяет восстановить до 60-80 % NOx путем впрыскивания через форсунки в горячие дымовые газы (при 950 °C) азотных соединений (в основном мочевины или аммиака) [60].

При обработке каталитическим способом (СКВ) оксиды азота разлагаются на катализаторе под воздействием раствора аммиака с образованием газообразного азота и водяного пара. Каталитическое разложение оксидов азота происходит при температурах от 170 °C до 380 °C. Степень разложения составляет свыше 90 %. При использовании технологий СНКВ и СКВ не образуется никаких отходов [60].

В таблице 2.2 приведены основные характеристики обоих способов.

Таблица 2.2 - Характеристики процессов удаления окислов азота [60]

	Некаталитический способ (SNCR)	Каталитический способ (SCR)
Концентрация NO_x в очищенных газах	< 150 мг/м³	< 70 мг/м³
Преимущества	- дешевизна; - высокая степень очистки; - ограниченный синтез диоксинов и фуранов в процессе "де-ново"	- очень высокая степень очистки; - возможно прямое разрушение диоксинов и фуранов
Недостатки		- дороговизна; - некоторые химикаты способны "отравить" катализатор

5) Тяжелые металлы и диоксины. Проходящие через скруббер диоксины, фураны и тяжелые металлы могут быть удалены из дымовых газов с помощью активированного угля (кокса) или смеси из активированного кокса и гидроокиси кальция. Наиболее надежным процессом считается адсорбция в газовом потоке (добавление активированного кокса и извести и их смешение с дымовыми газами). Адсорбция со стационарным катализатором применяется реже ввиду относительной сложности технологии и связанных с ней более высоких затрат.

Активированный уголь (кокс) связывает тяжелые металлы (особенно Hg и Cd), а также диоксины и фураны. Помимо этого, он в незначительной мере насыщается серой и хлором. Как правило, дымовые газы возвращаются в топочное пространство до полного отделения ртути и кадмия. В настоящее время тяжелые металлы, диоксины и фураны улавливаются с помощью угольно-известковой смеси прямо при сжигании отходов.

Современные установки, а также модернизированные установки, снабжены различным оборудованием для очистки образующихся выбросов. Среди основных используемых методов можно выделить следующие:

- тканевые фильтры (для удаления выбросов твердых частиц);

- электрофильтры (для удаления выбросов твердых частиц);

- мокрые газоочистители (для удаления кислых газов);

- полусухие газоочистители/система распылительного абсорбера (для удаления кислых газов);

- системы ввода сухих веществ (для удаления кислых газов);

- метод адсорбции с применением активированного угля/активированного бурого кокса (для удаления ПХДД/Ф и ртутных загрязнений).

<< Раздел 1. Общая информация о сфере утилизации и обезвреживания отходов термическими способами		Раздел 3. >> Текущие уровни потребления ресурсов и эмиссий в окружающую среду
	Содержание Информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям ИТС 9-2020 "Утилизация и обезвреживание отходов...

Откройте актуальную версию документа прямо сейчас