Раздел 2. Описание технологических процессов используемых в настоящее время в сфере обезвреживания отходов термическим способом

Раздел 2. Описание технологических процессов используемых в настоящее время в сфере обезвреживания отходов термическим способом

2.1 Общие положения

В общем виде технологическая схема комплексной установки высокотемпературного обезвреживания отходов, содержащих органические вещества, включает в себя [7] следующие стадии (блоки):

- блок предварительной, в том числе реагентной, обработки отходов;

- блок собственно термической (высокотемпературной, огневой) обработки отходов;

- блок теплоиспользования (в простейшем виде блок охлаждения высокотемпературных газообразных продуктов обезвреживания водой или воздухом);

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

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

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

Исходные данные для разработки установки высокотемпературного обезвреживания должны обязательно включать характеристику обезвреживаемых отходов в соответствии с приведенной в разделе 1 классификацией отходов и агрегатную мощность (нагрузку). По агрегатной мощности можно выделить:

- локальные стационарные или передвижные, мобильные (размещенные в том числе на автотранспорте или на железнодорожной платформе) установки малой мощности (10 - 500 кг/ч);

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

- централизованные, региональные установки - станции большой агрегатной мощности (2000 - 10000 кг/ч).

В рамках создания НДТ возможна реализация различных технологических схем, предусматривающих максимальное энергосбережение или выработку энергии и получение побочных минеральных и органических продуктов. Все технические решения базируются на основе Методических рекомендаций определения технологии в качестве наилучшей доступной технологии (приказ Минпромторга России от 31 марта 2015 г. N 665), учитывающих совокупность соответствующих критериев.

2.2 Основные эколого-энерготехнологические параметры [7]

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

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

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

1) <0,1 с (малое отношение рабочего объема реактора () к объемному расходу газов ();

2) = 0,1 - 0,5 с (средняя величина );

3) = 0,5 - 2 с (повышенная величина );

4) > 2 с (сверхвысокая величина ).

в) Интенсивность перемешивания компонентов в рабочей зоне термического реактора. Различают два гидродинамических режима: ламинарный (при числах Рейнольдса, меньших критического значения ); турбулентный (при ).

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 используется:

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

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

3) комбинированный источник.

е) Тип окислителя. Применяется:

1) воздух;

2) технический кислород;

3) обогащенное кислородом воздушное дутье;

4) водяной пар;

5) двуокись 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 (, , HCl, HF, ). 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 со ответствующий тип термического реактора для обезвреживания жидких, твердых и пастообразных отходов.

2.3 Основные типы существующих реакторов, использующих органическое топливо [18], [19]

2.3.1 Слоевые печи

В отечественной и зарубежной практике для высокотемпературного обезвреживания твердых и пастообразных отходов, содержащих органические вещества, наиболее широко используются слоевые печи.

В последние годы следует отметить большое количество российских разработок и зарубежных поставок локальных установок огневого обезвреживания отходов с использованием слоевых топок. Например, установки типа "Смарт Аш" (однокамерная) и "Медибурн" (двухкамерная) мощностью 22 кг/ч каждая (США) (см. рисунки 2.1, 2.2), установка "Форсаж-2", установка УСО-200 (Россия).

"Рисунок 2.1 - Установка типа "Смарт Аш" (США) [19]"

"Рисунок 2.2 - Установка "Медибурн" (США) [19]"

Во всех этих установках отсутствует система 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.

Более современные усовершенствованные слоевые печи выпускаются с нагрузкой 170 и 340 кг/ч (Австрия), с нагрузкой от 12 до 250 кг/ч 10 типоразмеров (Германия), с нагрузкой от 200 до 1000 кг/ч (Швейцария, Великобритания, Франция, Республика Корея), инсинератор "Мюллер" С.Р.50 (Франция) и др.

Аналогичные установки типа КТО (см. рисунок 2.3), ИН-50 (см. рисунок 2.4) и "ЭЧУТО" разработали российские производители. Последняя разработка предусматривает предварительное термическое разложение органической составляющей отходов в бескислородной атмосфере (пиролиз), после чего образовавшаяся парогазовая смесь направляется в камеру дожигания.

"Рисунок 2.3 - Установка типа КТО [20]"

Для сжигания ТКО широкое распространение нашли слоевые топки с колосниковыми решетками, в том числе водоохлаждаемыми. Наиболее часто при слоевом сжигании отходов применяют решетки трех типов: поступательно-переталкивающие, обратно-переталкивающие и решетки валкового типа.

При слоевом сжигании отходов температура на наклонной колосниковой решетке изменяется от температуры окружающей среды в верхней зоне загрузки до 1100°C - 1200°C в огневой (нижней) зоне. По мере продвижения материала происходит его постепенный прогрев, сопровождающийся процессами сушки, пиролиза, горения.

"Рисунок 2.4 - Установка типа ИН-50 [21]"

В целом необходимо отметить, что слоевые печи надежны в эксплуатации, просты при обслуживании (особенно топки с неподвижным подом) и имеют длительный ресурс рабочей кампании, однако пригодны для термического обезвреживания ограниченного класса 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 термического обезвреживания отходов - повышенный механический недожог, т.е. наличие остаточных токсичных органических соединений в шлаке и выбросы с дымовыми газами супертоксикантов: хлористого водорода (HCl), молекулярного хлора (), фосгена (), 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 высокотемпературных 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.

2.3.2 Барабанные вращающиеся печи

Барабанные вращающиеся печи 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.

Барабанные печи устанавливаются с небольшим наклоном в направлении движения отходов. Температуру в барабанной печи в зависимости от вида сжигаемых отходов поддерживают в пределах 900°C - 1400°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, громоздки, а в дымовых газах наблюдается повышенный химический недожог.

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

В Германии, США, Швейцарии, Финляндии и других странах накоплен большой опыт разработки централизованных станций термического обезвреживания 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) фирмой Noell - KRC Energie und Umwelttachnik GmbH введена в эксплуатацию одна из самых больших в мире барабанных вращающихся печей с нагрузкой по твердым и пастообразным отходам - 40000 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) фирмой Lurgi AG пущен в эксплуатацию центр термического обезвреживания твердых и пастообразных отходов мощностью 35000 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 щелочноземельных реагентов. Шлак из барабанной печи удаляется в жидком состоянии (в виде расплава).

В России также разрабатывают и реализуют барабанные вращающиеся печи (см. рисунок 2.5).

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 2.5 - Барабанная вращающаяся печь [20]"

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

Специальное сооружение экологически эффективной локальной установки малой мощности с барабанной вращающейся печью для термического обезвреживания 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 совместного термического обезвреживания токсичных твердых, пастообразных и жидких органических отходов с большой агрегатной нагрузкой на основе барабанных вращающихся печей.

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

2.3.3 Шахтные печи

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 (процесс "Пурвокс"), однако эти разработки не реализованы в промышленности. Пока не внедрен в практику и шахтный пиролиз твердых бытовых отходов с плазменным нагревом ("плазменный пиролиз и остеклование ТКО").

НПО "Радон" внедрил шахтную печь с плазменным нагревом для термической переработки твердых радиоактивных отходов.

В России разработан процесс паровоздушной газификации отходов в шахтном газификаторе с последующим дожиганием горючих газов.

Процесс в шахтном газификаторе осуществляется следующим образом. В шахту загружается смесь инертного материала (шамота) и отходов. Загруженная масса снизу продувается паровоздушной смесью. Шамот выполняет функцию теплоносителя и создает оптимальные условия для процесса газификации. Продвижение рабочей массы в реакторе происходит под действием собственного веса. В верхней зоне реактора при температуре 100°C - 200°C происходит подсушка поступающего сырья, продуваемого синтез-газом. В бескислородной среде происходит термическое разложение и коксование органической массы. В средней части реактора при температурах 1000°C - 1200°C происходит процесс газификации коксового остатка с образованием CO и . В самой нижней зоне шахтной печи твердый остаток окончательно охлаждается до температуры 100°C - 150°C (см. рисунок 2.6).

Полученный в шахтной печи горючий синтез-газ подвергается очистке от кислых газов, например, HCl, а затем сжигается в топке парового котла при избытке вторичного воздуха.

Поскольку процесс паровоздушной газификации проводится в плотном слое кускового материала при низких линейных скоростях потока, в выводимом из реактора синтез-газе практически отсутствует золоунос. Перемещаясь сверху вниз, смесь отходов и шамота последовательно проходит зоны подогрева, сушки, пиролиза и газификации. Получаемый в результате процесса шлак практически не содержит продукты механического недожога и после выгрузки из реактора подвергается грохочению для отделения шамота, используемого повторно.

"Рисунок 2.6 - Шахтная печь [19]"

Усреднение состава горючих отходов и их равномерная подача в процесс термообработки являются необходимыми условиями обеспечения стабилизации термического процесса, повышения его эффективности и последующей газоочистки.

Преимуществами данного процесса обезвреживания отходов в шахтной печи являются: высокий энергетический КПД (до 95%), позволяющий перерабатывать отходы с низким содержанием горючих веществ (зольность 90%) или с высокой влажностью; сжигание синтез-газа в современных газовых горелках - наиболее чистый способ сжигания, при котором в дымовых газах отсутствует недожог.

В России на АО "Электростальтяжмаш" имеется опыт эксплуатации установки термического обезвреживания пастообразных отходов (закалочных масел).

Оценивая эколого-технологические показатели процесса газификации органических отходов в шахтной печи, стоит отметить следующие экологические преимущества по сравнению с другими термическими процессами:

- предотвращение золоуноса с газами и улавливание в своеобразном фильтре токсичных тяжелых металлов;

- температура отходящего из реактора горючего газа не превышает 150°C, при этой температуре летучие тяжелые металлы (Cd, As, Pb, Zn) находятся в сконденсированном виде и практически фиксируются в шлаке.

В то же время процесс газификации в шахтных печах пригоден для термического обезвреживания ограниченного числа отходов, причем только дробленых, сыпучих, газопроницаемых. Пастообразные, крупногабаритные твердые отходы, плавящиеся при низких температурах, трудно перерабатывать методом газификации. Указанный главный недостаток процесса в фильтруемом плотном слое, приводивший к нарушению газопроницаемости и закупорке поперечного сечения реактора наблюдался на стендовых демонстрационных установках. В частности, попытка осуществления процесса газификации твердых отходов производства капролактама на стендовой установке Института проблем химической физики РАН (г. Черноголовка) окончилась полной неудачей - заплавлением поперечного сечения реактора.

2.3.4 Печи с жидкой ванной расплава

Среди многих предлагаемых технологий термического обезвреживания отходов своей оригинальностью выделяется технология уничтожения токсичных органических отходов в расплавах неорганических солей (США).

Сущность метода заключается в следующем. Дешевые неорганические соединения (например, соду или негашеную известь) расплавляют в керамическом реакторе при температурах 800°C - 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 бытовых и промышленных отходов была предложена российская технология сжигания в барботируемом расплаве шлака на основе печи Ванюкова (см. рисунок 2.7). Суть технологического процесса переработки отходов заключается в высокотемпературном разложении отходов в слое барботируемого шлакового расплава при температуре 1250°C - 1400°C и выдерживании их в течение 2 - 3 с. Расплав образуется из подаваемых в огневой реактор различных шлаков, в частности золошлаковых отходов ТЭЦ.

"Рисунок 2.7 - Печь с жидкой ванной расплава [22]"

Обезвреживаемые 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.

Обе технологии испытаны в опытно-промышленных условиях на опытном заводе "Гинцветмета" в г. Рязани (переработка ТКО) и на южнокорейском предприятии фирмы Samsung Heavy Industries (переработка некоторых видов промышленных отходов).

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.

2.3.5 Циклонные реакторы

Циклонные реакторы являются экологически эффективными и надежными устройствами для термического 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 2.8) для огневого (высокотемпературного) обезвреживания жидких отходов, содержащих органические и минеральные вещества.

"Рисунок 2.8 - Схема циклонного реактора с огнеупорной футеровкой и тепловой изоляцией [2]"

Применяемые при 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 обуславливается 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 термического обезвреживания 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.

Таким образом, проблема обезвреживания токсичных жидких отходов в настоящее время практически решена.

Положительные результаты получены при циклонном сжигании диспергированных твердых отходов и пастообразных осадков сточных вод (см. рисунок 2.9). 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.

"Рисунок 2.9 - Горизонтальный циклонный реактор для термического обезвреживания шламов [19]"

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 , 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  и более, что позволяет в короткие сроки сооружать компактные, малогабаритные установки с малыми капитальными затратами.

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 .

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.

2.3.6 Реакторы кипящего слоя

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 2.10), 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 2.10 - 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 2.11). 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 диоксинов. В августе 1995 года вошла в промышленную эксплуатацию ТЭЦ Northampton (США) с котлом Foster Wheeller 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.

"Рисунок 2.11 - 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 имел наклонную решетку, разделенную на 3 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 2.12).

"Рисунок 2.12 - Принцип действия вихревого кипящего слоя [19]"

Технология сжигания во вращающемся кипящем слое Rowitec имеет 3 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°C - 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 обезвреживания 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°C - 900°C в присутствии извести (CaO или ) осуществлялось выгорание основной массы органических веществ и нейтрализация хлористого водорода (HCl) с образованием .

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

2.4 Использование 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, т.е. 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.

2.4.1 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 (, , HCl, HF, 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 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 предотвращает синтез вторичных органических супертоксикантов.

Отечественными специалистами также разработана технология и реактор для плазменной переработки пестицидов (см. рисунок 2.13). Отличительной особенностью этой технологии является нейтрализация кислотных газов в системе мокрой очистки за ступенью закалки отходящих газов.

"Рисунок 2.13 - 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 2.14.

"Рисунок 2.14 - 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 (, );

- 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 (, ). Очищенный газ направляют на синтез хлорорганических продуктов.

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

2.4.2 Воздействие на слой токсичных отходов ударной плазменной струей

В 1990-х годах в Швейцарии разработана и внедрена в г. Muttenz установка высокотемпературного обезвреживания опасных отходов мощностью 1 т/ч (см. рисунок 2.15).

"Рисунок 2.15 - Установка высокотемпературного обезвреживания опасных отходов [25]"

Технология получила название "Плазмокс" [25]. Центральным элементом установки является центрифуга с установленной 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 Plasma Arc Centrifugal Treatment System, "РАСТ-8" (цифра 8 соответствует диаметру центрифуги в футах, 1 фут = 0,3048 м) разрабатывалась фирмой с 1985 года [26].

ПХБ-содержащие конденсаторы измельчаются в специальном устройстве и шнековым питателем подаются в первичную камеру переработки. В реакционную зону первичной камеры подается 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) происходит 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. В установке "РАСТ-8" используется оригинальная система формирования факела плазмы с использованием водоохлаждаемых электродов.

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%.

Техническая характеристика установки "РАСТ-8": мощность 1 МВт; температура в зоне плазменной дуги 10000°C - 20000°C; температура в реакционной зоне 1000°C - 1300°C; производительность по конденсаторам 300 - 500 кг/ч; степень деструкции 99,9999%; количество твердых отходов на тонну перерабатываемых конденсаторов - 0,4 т.

Упрощенным вариантом "Плазмокс" и "РАСТ-8" без установки центрифуги является плавильная печь EUROPLASMA (г. Бордо, Франция) для переработки токсичной золы МСЗ (см. рисунок 2.16). Мощность этих установок (Франция, Япония и другие страны) составляет от 6 до 41 т/сут. Нелетучие минеральные компоненты, в том числе соли тяжелых металлов извлекаются из печи в виде расплава (вторичного продукта), а возгоны летучих веществ (кадмий, ртуть, свинец) после системы сорбции и улавливания собираются для последующего концентрирования, утилизации или захоронения.

"Рисунок 2.16 - Плазменная печь EUROPLASMA для переработки токсичной золы МСЗ [19]"

Специалистами Республики Беларусь разработана, изготовлена и испытана плазменная камерная печь периодического действия мощностью до 50 кВт и производительностью 20 - 30 кг/ч, показанная на рисунке 2.17 [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.

"Рисунок 2.17 - Плазменная печь для обезвреживания медико-биологических отходов [27]"

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 2.18.

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 ряду технических и экономических факторов указанная установка не была введена в постоянную эксплуатацию.

"Рисунок 2.18 - 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.

2.4.3 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 2.19.

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.

"Рисунок 2.19 - Плазменная шахтная печь для переработки твердых РАО [30]"

Технологическая схема опытно-промышленной установки "Плутон", разработанной для обезвреживания радиоактивных отходов, с агрегатной нагрузкой 200 - 250 кг/ч [31] приведена на рисунке 2.20. Эта установка позволяет перерабатывать смешанные твердые отходы, содержащие не только горючие компоненты (древесину, бумагу, ветошь, пластики), но и негорючие (металл, стекло, грунт, изоляционные материалы).

Температура отходящих газов на выходе из шахтной печи не превышала 250°C - 300°C, пирогаз помимо горючих газов содержал смолистые вещества и аэрозоли сажи и золы, которые подвергались обработке в многоступенчатой системе пылегазоочистки.

"Рисунок 2.20 - Технологическая схема установки "Плутон" [31]"

Температура шлакового расплава в ванне печи достигала 1600°C - 1800°C и после охлаждения был получен продукт, пригодный для безопасного хранения.

На основе установки "Плутон" разработан комплекс по переработке твердых бытовых отходов в Израиле с проектной нагрузкой 500 кг/ч (см. рисунок 2.21), введенный в эксплуатацию в 2007 году по контракту с израильской компанией EER.

"Рисунок 2.21 - Общий вид технологического комплекса по переработке твердых бытовых отходов в Израиле [17]"

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.

Авторы разработали плазмотрон постоянного тока ПДС-50/3-03, параметры которого представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Параметры работы плазмотрона ПДС50/3 [32]

Сила тока, А	Напряжение, В	Расход газа (воздух), г/с	КПД, %	Энтальпия плазменной струи, МДж/кг	Температура плазменной струи, К
120	320	3,6	58	6,5	3700
130	340	4,5	59	6,1	3550
110	340	4,0	60	5,9	3500

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.

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.

Рассмотрим прямоточный газогенератор, разработанный в России [34]. Реактор-газификатор (см. рисунок 2.22) 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].

"Рисунок 2.22 - 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°C - 1200°C за счет использования плазменно-дуговых источников энергии возникла возможность и целесообразность использования в качестве теплоносителя и реагента-окислителя водяного пара.

В настоящее время отсутствуют какие-либо технические средства, кроме плазмотронов, позволяющие разогреть большие количества до плазменного состояния. Уровень развития плазмотронной техники позволяет утверждать, что мощные электродуговые генераторы водяной плазмы, устойчиво и надежно работающие в течение длительного времени займут свое место в промышленности [36].

Помимо существенного повышения теплоты сгорания синтез-газа, а следовательно, общей энергетической эффективности процесса газификации, использование 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.

2.4.4 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, , CO, , смолы), поступающих с газообразным потоком из первой ступени [7].

Отдельные разработчики (например, Франция) предлагают использовать в камерах дожигания плазменный источник энергии (см. рисунок 2.23). 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°C - 1250°C при времени их пребывания при указанной температуре - не менее 2 с.

"Рисунок 2.23 - Технологическая схема установки термической переработки отходов с плазменным дожигателем [37]"

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.

2.5 Высокотемпературное огневое обезвреживание супертоксикантов (ПХБ, пестицидов)

Технология термоокислительного (огневого) обезвреживания жидких ПХБ в циклонном реакторе стала победителем Международного тендера на лучшую технологию его обезвреживания, организованного Северной экологической финансовой корпорацией (NEFCO) [38].

В основу организации процесса огневого обезвреживания жидких отходов, содержащих ПХБ, положены следующие принципы [39], [40]:

а) обезвреживание отходов осуществляется в циклонном реакторе с огнеупорной воздухоохлаждаемой футеровкой;

б) нейтрализация образующихся кислотных газов (HCl) - непосредственно в объеме циклонного реактора впрыском раствора щелочного реагента с получением не токсичных минеральных солей;

в) обеспечение условий эффективной деструкции супертоксикантов - диоксинов и фуранов:

1) температура процесса 1200°C - 1250°C;

2) время пребывания продуктов обезвреживания в зоне высоких температур ~ 2 с;

3) концентрация кислорода в сухих дымовых газах - более 3% (коэффициент расхода окислителя более 1,2),

4) эффективное турбулентное перемешивание газов в объеме реактора;

г) закалка высокотемпературных дымовых газов в испарительном скруббере.

Принципиальная технологическая схема установки высокотемпературного обезвреживания жидких ПХБ представлена на рисунке 2.24.

"Рисунок 2.24 - Принципиальная технологическая схема установки высокотемпературного обезвреживания жидких ПХБ [39], [40]"

В установке высокотемпературного обезвреживания жидких ПХБ предусмотрены следующие технологические приемы:

- использование теплоты отходящих дымовых газов для подогрева дутьевого воздуха в рекуператоре;

- сухая очистка дымовых газов от минерального пылеуноса в тканевом фильтре;

- подогрев уходящих дымовых газов за дымососом.

Установка высокотемпературного обезвреживания жидких ПХБ состоит из футерованного циклонного реактора, футерованного газохода, рекуператора I ступени, рекуператора II ступени, скруббера-испарителя, каплеуловителя, рукавного фильтра, аппарата адсорбционной доочистки, смесителя, дымовой трубы и вспомогательного оборудования: емкостей, насосов, вентиляторов, дымососа, компрессора.

Жидкие отходы принимаются в емкость и насосом подаются к пневматическим форсункам циклонного реактора. Распыливание жидких отходов осуществляется компрессорным воздухом, поступающим от компрессора. Отопление циклонного реактора производится природным газом (жидким топливом). Воздух для горения топлива и жидких отходов поступает из рекуператора II ступени. Раствор щелочи приготавливается в емкости, оборудованной перемешивающим устройством. Приготовленный раствор с концентрацией ~ 20% насосом подается к механическим форсункам циклонного реактора.

В циклонном реакторе осуществляется горение природного газа (жидкого топлива) и жидких хлорсодержащих отходов. Термическое разложение и окисление органических компонентов ПХБ кислородом воздуха в потоке высокотемпературных продуктов сгорания протекает по следующим химическим реакциям:

Газообразный хлористый водород, образующийся при термическом разложении органических веществ, нейтрализуется щелочным реагентом непосредственно в объеме циклонного реактора при высоких температурах:

Избыточный NaOH подвергается карбонизации:

Минеральные соли вместе с дымовыми газами из циклонного реактора направляются в футерованный газоход. Объем газохода по условиям эффективной деструкции супертоксикантов выполнен с учетом обеспечения необходимого времени пребывания дымовых газов в зоне высоких температур - не менее 2 с.

Из газохода дымовые газы поступают в рекуператор I ступени, в котором подогревается воздух, направляемый затем в смеситель на подогрев дымовых газов и снижение их влажности.

Воздух в рекуператор I ступени подается вентилятором.

Из рекуператора I ступени дымовые газы, имеющие температуру примерно 1100°C, направляются в рекуператор II ступени, в котором подогревается воздух, поступающий в циклонный реактор для горения топлива.

Воздух в рекуператор II ступени подается вентилятором.

Для восстановления оксидов азота, образующихся при горении топлива, предусмотрен ввод парокарбамидной смеси в газоход после рекуператора I ступени. Ввод парокарбамидной смеси осуществляется через сопла, установленные в нижней части рекуператора II ступени.

Восстановление оксидов азота происходит по химической реакции:

.

Частично охлажденные до температуры примерно 930°C - 960°C дымовые газы из рекуператора II ступени направляются в скруббер, где охлаждаются за счет испарения воды, подаваемой к форсункам скруббера из емкости насосом. Охлаждение дымовых газов осуществляется до температур, обусловленных требованиями фильтровального материала фильтра.

Для исключения попадания капельной влаги в фильтр предусмотрен каплеуловитель, установленный в газоходе между скруббером и фильтром. В фильтре осуществляется улавливание из дымовых газов пыли нетоксичных минеральных солей.

Очищенные дымовые газы из рукавного фильтра направляются в аппарат адсорбционной доочистки и далее дымососом направляются в дымовую трубу, в которой установлен смеситель. В смесителе дымовые газы смешиваются с горячим воздухом, подаваемым из рекуператора I ступени, и выбрасываются в атмосферу.